腦機(jī)接口（BCI）具有直接從大腦建立人機(jī)交互的潛力。通過分析高時(shí)空分辨率的電生理指標(biāo)，腦機(jī)接口可以詳細(xì)記錄腦活動(dòng)，并將腦電圖（EEG）轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令。腦機(jī)接口有許多潛在的應(yīng)用，例如腦部疾病診斷、康復(fù)、殘疾人協(xié)助、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練、健康監(jiān)測(cè)和外骨骼研究等。根據(jù)植入方法和電極傳感器相對(duì)于頭皮的放置位置，腦機(jī)接口可分為無創(chuàng)、半創(chuàng)和有創(chuàng)腦機(jī)接口。其中，無創(chuàng)腦機(jī)接口可以在沒有任何程序性感染和組織損傷風(fēng)險(xiǎn)的情況下提取腦電圖，因此在日常場(chǎng)景中具有很大的應(yīng)用潛力。

用于無創(chuàng)腦機(jī)接口以獲取腦電圖的電極通常分為干電極和濕電極兩種。干電極由固體導(dǎo)電材料組成，包括金屬、導(dǎo)電織物和導(dǎo)電聚合物等，只需與皮膚接觸即可記錄生理電信號(hào)。然而，干電極增加了皮膚接觸阻抗，降低了阻抗穩(wěn)定性，因此，它們對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影表現(xiàn)出更高的敏感性。干電極的其它缺點(diǎn)包括信號(hào)噪聲增加和信號(hào)失真，這是由于接觸不足、環(huán)境濕度和接觸表面的汗水腐蝕造成的。此外，一些干電極，例如金屬引腳，會(huì)對(duì)磁頭表面造成損傷。濕電極主要由導(dǎo)電漿料和銀/氯化銀（Ag/AgCl）組成，銀/氯化銀是一種具有高交換電流密度、低極化和恒電位的材料。利用導(dǎo)電漿料作為傳導(dǎo)介質(zhì)，可以在電極之間形成離子通道，保證在整個(gè)腦電圖記錄過程中信號(hào)基線保持平滑。然而，使用導(dǎo)電漿料的濕電極的設(shè)置過程通常復(fù)雜且耗時(shí)，并且對(duì)用戶來說會(huì)產(chǎn)生不舒服甚至痛苦的感受。此外，對(duì)于高密度的電極排列，導(dǎo)電漿料可能會(huì)意外流動(dòng)，導(dǎo)致相鄰電極之間的短路。同時(shí)，由于導(dǎo)電漿料的快速風(fēng)干，濕電極記錄腦電圖的時(shí)間只能持續(xù)數(shù)小時(shí)。

為了解決無創(chuàng)電極的上述問題，研究人員提出了半干電極的概念。半干電極可以利用自電解質(zhì)在電極-皮膚界面建立離子通道，從而實(shí)現(xiàn)與濕電極相當(dāng)?shù)目煽磕X電圖信號(hào)收集，以及類似干電極的更方便的設(shè)置。與干濕電極相比，無創(chuàng)半干電極具有更低的接觸阻抗、更方便的設(shè)置和更好的佩戴舒適性，為下一代腦機(jī)接口產(chǎn)品提供了基礎(chǔ)。然而，半干水凝膠電極仍然存在一些限制其應(yīng)用的缺點(diǎn)，包括容易失水而提高阻抗的風(fēng)險(xiǎn)，缺乏魯棒性和脆性，以及水凝膠在佩戴條件下的安全問題。目前，無創(chuàng)腦機(jī)接口長(zhǎng)期獲取高質(zhì)量腦電圖仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，大連理工大學(xué)生物工程學(xué)院林佳奇教授課題組的研究人員開發(fā)了一種半干式雙層水凝膠電極，該電極不僅能夠以與濕電極相當(dāng)?shù)姆直媛视涗浤X電圖信號(hào)，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)達(dá)12小時(shí)的連續(xù)腦電圖采集。相關(guān)研究成果近期以“Hydrogel electrodes with conductive and substrate-adhesive layers for noninvasive long-term EEG acquisition”為題，發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

該電極由雙水凝膠層構(gòu)成，其中導(dǎo)電層具有高導(dǎo)電性、低皮膚接觸阻抗和高魯棒性；而粘接層可以粘接到玻璃或塑料基底上，以減少穿戴狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)偽影。通過人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，研究人員制備了幾個(gè)不同形狀的水凝膠電極，以最大限度地提高水凝膠表面與具有毛發(fā)的頭皮的接觸。在所有這些不同的設(shè)計(jì)中，雙層水凝膠在基底上的組裝方式是相同的。在組裝過程中，導(dǎo)電水凝膠的下半部分被粘接水凝膠包圍，形成環(huán)狀，從而牢固地附著在塑料基底的內(nèi)表面上。導(dǎo)電水凝膠的底部與銀/氯化銀接觸，銀/氯化銀進(jìn)一步附著在一個(gè)4毫米的卡扣上。通過這種組裝方式，導(dǎo)電水凝膠可以使用標(biāo)準(zhǔn)的腦電圖頭部裝置以一種易于使用的方式穩(wěn)定地獲取腦電圖信號(hào)。

圖1 雙層水凝膠電極的設(shè)計(jì)策略

由于水凝膠電極在工作條件下與人體表皮接觸，因此水凝膠材料的生物相容性對(duì)長(zhǎng)期腦電圖記錄至關(guān)重要。因此，研究人員對(duì)導(dǎo)電水凝膠進(jìn)行了細(xì)胞活力和皮膚刺激試驗(yàn)。圖2a顯示了導(dǎo)電水凝膠浸泡不同時(shí)間段之后的細(xì)胞活力。在所有持續(xù)不同浸泡時(shí)間的測(cè)試中，與對(duì)照組相比，細(xì)胞存活率都超過100%，這表明導(dǎo)電水凝膠沒有細(xì)胞毒性。接下來，研究人員對(duì)導(dǎo)電水凝膠進(jìn)行了皮膚刺激實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步探索其生物相容性。研究人員用一只日本白兔作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，將它背上的毛去掉，并且把水凝膠涂抹在其裸露的皮膚上。結(jié)果顯示，涂抹導(dǎo)電水凝膠的白兔皮膚表面沒有任何紅腫或滲出。隨后，研究人員對(duì)接觸組織進(jìn)行了進(jìn)一步檢查。結(jié)果顯示，從涂抹水凝膠部位的蘇木精和伊紅（H&E）染色組織的代表性圖像中未見炎癥反應(yīng)（圖2（d）右）。因此，以上這些結(jié)果證實(shí)了導(dǎo)電水凝膠材料具有高度的生物相容性。

圖2 導(dǎo)電水凝膠的生物相容性測(cè)試

最后，研究人員利用人類志愿者N170和P300事件相關(guān)電位（ERP）測(cè)試對(duì)所開發(fā)的水凝膠電極進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示，水凝膠電極捕獲了N170和P300測(cè)試中預(yù)期的事件相關(guān)電位波形，并且波形與濕電極產(chǎn)生的波形具有相似性。相比之下，干電極由于信號(hào)質(zhì)量低而無法檢測(cè)到觸發(fā)電位。此外，該水凝膠電極可以獲得長(zhǎng)達(dá)12小時(shí)的腦電圖信號(hào)，并且可以回溯過去7天的測(cè)試結(jié)果。

圖3 通過腦電圖（EEG）帽，分別使用濕電極、干電極和水凝膠電極進(jìn)行N170測(cè)試

圖4 通過腦電圖（EEG）帽，分別使用干電極、濕電極和水凝膠電極進(jìn)行P300測(cè)試

綜上所述，該研究提出的半干式雙層水凝膠電極能夠以一種易于使用的方式長(zhǎng)期檢測(cè)事件相關(guān)電位，有望在無創(chuàng)腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中開辟許多應(yīng)用。然而，導(dǎo)電水凝膠材料的保水能力還有進(jìn)一步提高的潛力，因?yàn)殡姌O-皮膚界面的水化作用對(duì)降低阻抗至關(guān)重要。此外，水凝膠材料抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的能力也沒有在該研究中進(jìn)行。由于水凝膠電極可在人類頭皮上循環(huán)使用，因此未來的工作應(yīng)解決細(xì)菌抑制能力問題。

審核編輯：劉清