Исследователи разработали электрод, который можно напечатать на 3D-принтере. Он выглядит как прядь человеческого волоса и измеряет активность мозга более надежно, чем нынешний метод, используемый для диагностики таких заболеваний, как эпилепсия и нарушения сна.
Когда вы представляете себе кого-то, проходящего электроэнцефалограмму (ЭЭГ) для диагностики такого состояния, как эпилепсия, например, вы, вероятно, представляете его с головой, покрытой электродами. Это потому, что стандартная ЭЭГ обычно использует 21 из них, прикрепленных к черепу в стратегических местах для захвата активности из различных областей мозга.
Однако группа исследователей из Университета штата Пенсильвания (Penn State) открыла будущее ЭЭГ, разработав один электрод, который выглядит как прядь волос и более надежен, чем стандартная многоэлектродная версия.
«Этот электрод обеспечивает более последовательный и надежный мониторинг сигналов ЭЭГ и может носиться незаметно, что повышает как функциональность, так и комфорт для пациента», — сказал Тао Чжоу, профессор инженерных наук и механики в Университете штата Пенсильвания и соавтор исследования.
Стандартные ЭЭГ обычно используют около 20 электродов, прикрепленных с помощью проводящего геляDepositphotos
ЭЭГ используется для регистрации электрической активности мозга и важна для диагностики и мониторинга неврологических заболеваний, таких как эпилепсия, судороги, нарушения сна и повреждения мозга. Жесткость электродов, используемых в современных ЭЭГ, означает, что даже небольшое движение вносит шум и артефакты в запись и ограничивает возможность пациентов свободно двигаться. Обычно используются «влажные электроды», которые требуют нанесения проводящего геля для поддержания надлежащего контакта с кожей головы. Такой подход неаккуратный (подумайте о геле в волосах), и поскольку гель имеет тенденцию высыхать со временем, его необходимо наносить повторно для поддержания качества сигнала.
«Это изменит импеданс — или интерфейс — между электродами и кожей головы, и это может повлиять на регистрируемый мозговой сигнал», — сказал Чжоу. «Мы также не всегда размещаем электроды в одном и том же положении, потому что мы люди. Но если вы измените положение, даже немного, мозговые сигналы, которые вы отслеживаете, могут быть другими».
Учитывая эти недостатки, исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали свое устройство «stick-and-play» без геля для мониторинга ЭЭГ. Оно предназначено для постоянного ношения в течение длительного времени, не мешая при этом обычной деятельности пользователя и не привлекая внимания к своему присутствию. С этой целью электродная часть устройства напечатана на 3D-принтере из полимерного гидрогеля шириной 300 мкм. Она выглядит как прядь волос. (Кстати, ее можно напечатать с использованием различных биосовместимых красителей, чтобы устройство соответствовало цвету волос пользователя.) Электрод крепится к коже головы с помощью биоклея, который можно напечатать на 3D-принтере, и при тестировании он оказался почти вдвое прочнее коммерческого геля для ЭЭГ. Он оставался на месте после душа и потоотделения, вызванного физическими упражнениями, но не повреждал кожу при снятии.
Исследователи протестировали долгосрочную адгезию устройства и электрические характеристики и сравнили их с текущей стандартной ЭЭГ с использованием нескольких электродов. Даже когда испытуемые люди занимались своими обычными делами, электрод оставался надежно прикрепленным к коже головы в течение 24 часов. Сопротивление оставалось стабильным без заметного увеличения через 12 или 24 часа, что означает, что качество сигнала мозговой активности не изменилось. Устройство, похожее на волос, поддерживало лучший контакт с кожей, чем обычный гель-зависимый подход, и устраняло артефакты движения.
Электрод, похожий на волос (слева), в сравнении с настоящим человеческим волосом (справа) Zhou Lab/Penn State CC BY-NC-ND 4.0 (исходное изображение расширено с помощью генеративного ИИ)
«Вам не нужно беспокоиться об изменении положения электрода или об изменении импеданса, поскольку электроды не сдвинулись», — сказал Чжоу.
В настоящее время волосовидное устройство ЭЭГ является проводным, поэтому пациенты должны быть подключены к машине, пока регистрируется их мозговая активность. Однако исследователи надеются разработать беспроводную версию и предвидят множество вариантов применения устройства.
«Эта технология обещает быть использована в потребительских товарах для здоровья и благополучия, позволяя разрабатывать передовые носимые устройства, которые могут незаметно контролировать психическое здоровье, уровень стресса и когнитивные функции», — заявили они. «Ее также можно интегрировать в системы интерфейса мозг-компьютер (BCI), повышая удобство использования и комфорт, тем самым расширяя их применение в таких областях, как вспомогательные технологии для людей с ограниченными возможностями, виртуальная реальность (VR) и даже улучшая взаимодействие человека с компьютером в повседневных задачах».
Исследование опубликовано в журнале NPJ – Biomedical Innovations .
