开创性的数字头皮纹身读取脑电活动

开创性的数字头皮纹身读取脑电活动

新型电子纹身可能颠覆脑机接口和精准神经科学

发布于2024年12月29日 | 审核人：Gary Drevitch

脑电监测正在变得更加个性化。科学家们最近在《细胞生物材料》（Cell Biomaterials）上发表了一项研究，展示了一种直接印在头皮上的电子纹身，该纹身能够在24小时或更长时间内稳定地非侵入性地监测脑电活动——这是一项可能改变精准医学、神经科学和非侵入式脑机接口（BCIs）领域的突破性神经技术。

“我们的技术首次能够在头发存在的情况下，在人体皮肤上直接生产用于电生理数据采集的超薄电子纹身，”德克萨斯大学奥斯汀分校的Nanshu Lu和José Millán以及加州大学洛杉矶分校的Ximin He等三位共同通讯作者及其研究团队报告说。

科学家们开发了一种自干燥、贴合皮肤的超薄电子头皮临时纹身，该纹身通过微喷嘴直接打印在头部，无需任何接触或针头，并根据个体头皮的独特轮廓和形状进行个性化定制。该纹身通过微喷嘴在室温下仅需12分钟即可干燥并自发形成薄膜，且比转移式电子纹身更好地粘附在皮肤上。

在打印之前，使用iPhone 13上的三维扫描应用程序ScandyPro进行扫描，该应用安装在一个五轴机器人上，围绕参与者的头部移动。电极坐标使用MATLAB中的开源功能MeshEEG设置。

“这些电子纹身具有电气导电性，在机械和生理上几乎不可察觉，可以在不使用劳动密集型且寿命短的湿凝胶电极及笨重的电缆和帽子的情况下，实现全头、高保真度、长期且舒适的脑电图记录能力，”科学家们写道。

脑电图通过附着在头皮上的金属电极盘测量大脑中的电信号。根据Grand View Research的数据，传统脑电图设备的全球市场规模在2023年为12亿美元，预计在2024年至2030年间以10.36%的复合年增长率增长，到2030年达到23.9亿美元。

临床医生使用脑电图帮助诊断中风、某些精神病、发作性睡病、癫痫、脑肿瘤、脑炎、阿尔茨海默病、药物中毒、脑损伤、昏迷状态、脑死亡、帕金森病、神经系统疾病、克雅氏病、头部损伤、脑病等，并用于医疗程序和手术期间监测脑血流。

“这项创新通过解决许多长期存在的挑战，显著扩展了电子纹身在脑电图中的潜在应用，”研究人员写道。

为了评估其直接打印在头皮上的电极（即电子纹身）与传统商业湿凝胶电极的性能，研究团队对五名参与者进行了错误相关电位和运动想象的测量，这两者是广泛使用的脑机接口标记。

科学家们发现，他们的纹身电极不仅与标准湿凝胶电极表现相当，而且在多次会话中表现出一致性能，并将电极寿命延长了六个多小时。

与现有脑电图系统相比，他们的临时电子纹身佩戴更舒适、安装更快捷、粘附性更高。根据科学家们的说法，直接在头皮上打印电极比商业脑电图设备设置更快。在这项研究中，进行一次三维头部扫描并在头皮上打印十个电极仅需不到15分钟。每次校准头部运动需额外花费五分钟。这些可打印电极是临时纹身，可以轻松用肥皂或酒精去除。

科学家们表示，他们的创新技术不仅可以用于脑电活动监测和记录，还可以用于其他内部器官的刺激、康复、心脏监测、颅骨监测、伤口愈合辅助、骨骼或组织再生以及绩效训练。研究人员称，他们的电子纹身解决方案不仅限于脑机接口，还可能应用于各种人机界面，包括皮质脑电图（ECoG）记录、心电图（ECGs）、经皮电神经刺激（TENS）和肌电图（EMG）。

“这标志着神经技术的一个新篇章，强调定制化和准确性，提升患者福祉，减少医疗劳动力，”研究团队总结道。

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