大脑活动监测的未来可能看起来像一缕头发
脑电图 （EEG） 监测的未来可能很快就会看起来像一根头发。 宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员创造了一种头发状的设备，用于长期、无创地监测大脑的电活动，而不是传统的金属电极、电线网和粘性粘合剂。 轻巧灵活的电极直接连接到头皮上，提供稳定、高质量的大脑信号记录。 脑电图对于诊断和评估癫痫和脑损伤等神经系统疾病。 在某些情况下，临床医生需要更长时间地监测脑电波，例如，评估癫痫发作、睡眠障碍以及影响大脑血管和血流的疾病。 研究人员在发表在《npc biomedical innovations》杂志上的一项研究中描述了这种新电极，这些电极被证明可以在连续佩戴超过 24 小时的情况下保持稳定的性能。 这项技术成立据研究人员称，除了临床保健应用外，还有望用于消费者健康和保健产品。 “这种电极可以更一致和可靠地监测脑电图信号，并且可以佩戴而不会引起注意，从而提高了功能和患者的舒适度，”Wormley Family 工程科学和力学早期职业教授、该论文的资深作者 Tao 周 说。 脑电图监测是一种广泛使用的测量方法大脑的电活动，周解释说。 将小金属电极放置在头皮上，并接收大脑细胞产生的微弱电脉冲。 电极连接到电线上，然后连接到机器上，机器将大脑的活动显示为看起来像波的图案。 然而，传统的脑电图监测过程可能是一项繁琐且有时很混乱的事情。 它的局限性使其难以连续、长期使用监测。 为了很好地记录大脑的活动，电极需要贴合头皮。 电极与皮肤之间的任何间隙或浓密的头发都会降低记录信号的质量。 研究人员和临床医生必须在头皮上涂抹凝胶，以保持电极与皮肤之间良好的表面接触和信号质量。 不过，对于某些人来说，凝胶会引起皮肤刺激。 这是一个耗时的过程，当凝胶变干，特别是对于需要持续监测或多次监测的人来说。 应用和重新应用过程也不精确，并且可能导致电极上使用不同数量的凝胶。 “这将改变电极和头皮之间的阻抗或界面 - 它会影响记录的大脑信号，”周说。 “我们也不总是将电极应用在完全相同的位置，因为我们是人类。但是，如果你改变位置，哪怕是一点点，你监测的大脑信号也会有所不同。 传统的脑电图电极也是刚性的，当有人移动头部时，即使是轻微的移动也会移动，这可能会损害数据的一致性。 为了解决这些限制，研究小组设计了一种小型监测设备，它看起来像一缕头发，由 3D 打印的水凝胶材料制成。 一端是电极。 它看起来像一个小点，并捕获大脑来自头皮的电信号。 有一个长而细的线状组件从电极伸出，连接到监测系统。 该设备还使用一种 3D 打印的生物粘附墨水，使电极可以直接粘在头皮上，而无需任何粘稠的凝胶或其他皮肤准备。 这最大限度地减少了电极和头皮之间的间隙，从而提高了信号质量。 该设备的轻便、灵活和可拉伸特性也意味着即使在梳头、戴上和摘下棒球帽时，该设备也能保持原状，并且可以佩戴更长的时间，使其适合长期监测。 该团队发现，新设备的性能与金电极相当，金电极是当前用于脑电图的标准电极。 然而，毛发状电极在电极和皮肤之间保持了更好的接触，并且在超过 24 小时的连续佩戴中保持可靠运行，信号没有任何衰减质量。 由于不必像传统的 EEG 监测系统那样拆卸和更换电极，因此它们消除了数据不一致的风险，即使在不同的监测会话中也是如此。 “你不必担心电极的位置是否发生了变化，或者阻抗是否因为电极没有移动而发生了变化，”周说。 与传统的金属电极不同，新电极模仿人类的头发，在头上不显眼。 由于设备是周 解释说，他们也可以打印不同颜色的电极来匹配一个人的头发。 “这使得它很谨慎，人们可能更舒适地佩戴它，特别是如果他们需要连续的脑电图监测并且需要长时间佩戴电极，”周说。 目前，脑电图仍然是有线的; 患者需要连接到机器，同时记录他们的大脑活动。 未来，研究人员希望制作该系统无线，以便人们在录制过程中可以更自由地移动。 该论文的其他宾夕法尼亚州立大学作者包括主要作者 Salahuddin Ahmed 和 Marzia Momin，他们都是工程科学与力学系的博士生。 任佳树，工程科学与力学系博士生; 生物医学工程系博士生 Hyunjin Lee; Li-Pang Huang，研究助理; 和 Basma AlMahmood，本科生物理系也为这篇论文做出了贡献。 其他作者包括国立台北科技大学分子科学与工程系的 Chi-Ching Kuo、Archana Pandiyan 和 Loganathan Veeramuthu。 来自美国国立卫生研究院的 资金; 橡树岭联合大学; 国立台北科技大学-宾夕法尼亚州立大学合作种子资助计划; 以及工程科学与力学系的材料宾夕法尼亚州立大学研究所和哈克生命科学研究所支持这项工作。