Pinananatiling Matatag ng mga Hydrogel Electrode mula China ang mga Signal ng Utak nang Ilang Oras, na may Higit 94% Katumpakan sa Pagta-type

Mas banayad na koneksiyon sa anit, mas matagal na nababasang signal ng utak

Nakabuo ang mga mananaliksik mula sa Guangxi University, Guangxi Medical University at Tsinghua University ng mga hydrogel electrode na nakasuporta sa mahigit 94% katumpakan sa isang gawaing pagta-type gamit ang paningin, sa mga pagsusuring isinagawa sa loob ng 14 na oras habang nagpapahinga ang kalahok. Sa isa pang eksperimento, nakapagtala ang mga electrode ng matatag na signal ng utak sa loob ng walong oras habang naglalakad, kumakain, nagbabasa at natutulog ang isang kalahok.

Inilarawan sa npj Flexible Electronics ang device na tumutugon sa isang praktikal na problema para sa mga brain-computer interface (BCI): kung paano mapananatiling maaasahan ang pagkakadikit ng mga sensor sa taong gumagalaw sa halos buong maghapon. Maaaring humina ang kalidad ng signal mula sa mga karaniwang electrode kapag natutuyo ang conductive gel o gumagalaw ang pagkakadikit ng mga ito sa anit.

Skin-mimetic adaptive gradient electrode ang tawag ng mga mananaliksik sa device. Unti-unting nagbabago ang estruktura nito: malambot ang bahaging dumidikit sa anit at mas matigas ang dulong kumokonekta sa elektronikong kagamitan. Nagkakaiba rin ang laki ng mga pores sa materyal, na tumutulong sa pagpapalabas nito ng electrolyte na kailangan upang mapanatili ang koneksiyong elektrikal.

Nakuha ang pinakamataas na resulta sa pagta-type sa isang gawaing tumitingin ang kalahok sa kumikislap na virtual keyboard. Lumampas naman sa 90% ang katumpakan sa ibang gawaing may gumagalaw na target na larawan. Kasama ng eksperimento sa pagrekord habang ginagawa ang pang-araw-araw na aktibidad, ipinahihiwatig ng mga resulta na maaaring gumana ang kagamitan kahit hindi mahigpit na kontrolado ang mga sesyon sa laboratoryo.

Para sa mga taong maaaring gumamit ng ganitong sistema sa hinaharap upang makipag-usap o sumailalim sa matagalang pagmamanman, kasinghalaga ng matagumpay na demonstrasyong tumatagal lamang ng ilang minuto ang maaasahang pagkakadikit ng sensor. Kailangang patuloy na mangalap ang sensor ng kapaki-pakinabang na impormasyon habang nagpapalit ng posisyon, nagpapahinga o gumagawa ng karaniwang mga aktibidad ang nagsusuot nito.

Ano talaga ang kasangkot sa pagsusuri sa pagta-type

Isinuot ng pangkat ang mga electrode sa isang komersiyal na electroencephalography (EEG) cap. Sinusukat ng EEG ang aktibidad na elektrikal na may kaugnayan sa utak sa pamamagitan ng mga sensor sa anit. Sa isang BCI, pinoproseso ng computer software ang mga sukat na ito at ginagawang mga utos ang piling mga pattern.

Tumagal nang 14 na oras ang eksperimento habang nagpapahinga ang kalahok, at nagsagawa ito ng mga pagsusuri kada oras. Sa gawaing pagta-type habang hindi gumagalaw, tumingin ang kalahok sa mga kumikislap na key sa isang virtual keyboard upang ilagay ang mga numero mula isa hanggang siyam at mga petsa. Lumampas sa 94% ang katumpakan.

Ginagamit ng BCI na ginagabayan ng paningin ang tugon ng utak sa pinanonood ng tao. Nagbibigay ang keyboard ng nakaayos na hanay ng mga mapagpipilian, at ginagamit ng sistema ang naitalang tugon upang tukuyin ang nilalayong piliin. Kaya nakikipag-ugnayan ang kalahok sa pamamagitan ng pagtutok sa isang display sa halip na pisikal na pagpindot sa mga key.

Sa kabilang gawain, gumalaw ang mga linyang may iba-ibang kulay sa mga virtual na parisukat habang nakatuon ang kalahok sa mga itinalagang target. Lumampas sa 90% ang katumpakan. Bahagi ng gawaing biswal ang paggalaw rito; hiwalay na eksperimento ang walong oras na pagrekord habang gumagawa ng pang-araw-araw na pisikal na aktibidad.

Nililinaw ng pagkakaibang ito ang kahulugan ng mga resulta sa praktikal na konteksto. Sinuri ng pag-aaral kung napapanatili ng mga electrode ang pagrekord ng utak habang gumagalaw nang karaniwan ang tao, at kung nakasuporta rin ang mga ito sa tumpak na pagpili sa paulit-ulit na mga pagsusuri sa BCI sa mahabang sesyon habang nagpapahinga.

Bakit humihina ang bisa ng mga karaniwang electrode

Karaniwang pinagsasama ng tradisyonal na wet EEG electrode ang matigas na bahaging metal at conductive gel. Tinutulungan ng gel na makatawid ang mga signal na elektrikal sa pagitan ng balat at sensor. Habang sumisingaw ang tubig, nagiging hindi gaanong maaasahan ang koneksiyong ito.

Ayon sa mga mananaliksik, karaniwang tumatagal nang mga dalawa hanggang apat na oras ang matatag na paggana ng tradisyonal na wet electrode. Sa paghahambing nila sa mga komersiyal na gel electrode, halos hindi na nagamit ang ilang karaniwang channel ng pagrekord pagkalipas ng humigit-kumulang apat hanggang limang oras dahil sa pagkatuyo. Indibidwal na koneksiyon ng pagrekord sa EEG system ang isang channel.

Isa pang hamon ang paggalaw. Nakadikit ang matigas na electrode sa malambot at nababanat na balat, at magkaiba ang tugon ng dalawang ibabaw kapag gumagalaw ang nagsusuot. Maaaring magdulot ang maliliit na pag-usog ng mga hindi kanais-nais na pagbabagong elektrikal, na tinatawag na motion artifact, na nagpapahirap tukuyin ang signal ng utak.

Bahagyang natutugunan lamang ang problemang ito kapag ginawang malambot ang buong electrode. Kailangan ng anit ng nababaluktot na ibabaw na didikit dito, samantalang nangangailangan ng mekanikal na suporta ang koneksiyon sa kagamitan sa pagrekord. Magkakaibang katangian ang ibinigay ng bagong disenyo sa iba't ibang bahagi ng iisang electrode.

Paano nagiging matigas mula sa malambot ang hydrogel

Mga lambat ng polymer na nagtataglay ng tubig ang mga hydrogel. Gumamit ang mga mananaliksik ng paunang timplang may conductive polymer at mga nanosheet ng pilak para sa electrode na ito. Ibinuhos nila ito sa mga hulma at pinalamig upang mabuo ang panimulang estruktura.

Sa mga sumunod na siklo ng pagyeyelo at pagtunaw, nilagyan nila ng init ang isang panig at pinalamig naman ang kabila. Nakatulong ang pagkakaiba ng temperatura upang makabuo ng hindi pantay na panloob na estruktura, sa halip na materyal na magkakapareho ang mga katangian sa kabuuan nito.

Kabilang sa mekanismo ng paggawa ang Marangoni effect, kung saan nagdudulot ng paggalaw sa loob ng likido ang pagkakaiba sa tensiyon ng ibabaw. Gumamit ang mga mananaliksik ng gradient ng temperatura upang magdulot ng hindi pantay na crosslinking, o pagbuo ng mga dugtong sa loob ng lambat ng polymer. Dahil dito, naging mas siksik ang lambat sa ilang bahagi kaysa sa iba.

Unti-unting nagbabago ang tigas ng natapos na electrode. Mas malapit na sumusunod sa hugis ng anit ang mas malambot na dulo nito, samantalang sinusuportahan naman ng mas matigas na dulo ang koneksiyon sa circuit. Hango ang disenyo sa balat, na may mga suson na magkakaiba ang mekanikal na katangian.

Unti-unti ring nagbabago ang mga panloob na pore sa kabuuan ng electrode. Ayon sa mga mananaliksik, nakatutulong ang estrukturang ito sa tuluy-tuloy na pagpapalabas ng electrolyte. May mga gumagalaw na particle na may kargang elektrikal ang mga electrolyte at nakatutulong ang mga ito sa pagdaloy ng kuryente. Kaya nakatutulong ang pagpapanatili ng suplay ng mga ito sa ibabaw ng kontak upang manatiling maayos ang koneksiyon sa pagrekord sa paglipas ng panahon.

Tinutugunan ng materyal ang dalawang magkaugnay na pangangailangan sa iisang estruktura: pisikal na pagkakadikit na nakatatagal sa paggalaw at conductive na interface na mas tumatagal habang isinusuot ang device.

Ano ang nangyari sa loob ng walong oras ng pang-araw-araw na aktibidad

Gumamit ang eksperimento sa pagrekord sa tao ng cap na may walong EEG channel na wireless na nagpadala ng datos sa computer. Isinuot ito ng isang kalahok habang naglalakad, kumakain, nagbabasa at natutulog, at napanatili ang matatag na pagrekord sa loob ng walong oras.

Iba-iba ang hinihingi ng mga aktibidad na ito sa pagkakadikit ng electrode sa anit. Nagdudulot ng paulit-ulit na paggalaw ang paglalakad, ginagalaw ng pagkain ang mga kalamnan sa paligid ng ulo, at binabago ng pagtulog ang posisyon ng ulo. Pangunahing layunin ng pangkat na mabawasan ang pagdepende ng EEG sa pananatiling hindi gumagalaw, kaya mahalagang mapanatiling kapaki-pakinabang ang mga naitala sa ganitong iba't ibang kondisyon.

Mailalarawan sa tatlong kongkretong hakbang ang mga iniulat na panahon ng pagsusuri:

• Pagkalipas ng humigit-kumulang apat hanggang limang oras, halos hindi na nagamit ang ilang channel na gumagamit ng komersiyal na gel electrode sa eksperimento ng paghahambing.
• Sa loob ng walong oras ng karaniwang mga aktibidad, napanatili ng mga gradient electrode ang matatag na EEG recording.
• Sa sesyong habang nagpapahinga na tumagal nang 14 na oras, lumampas sa 94% ang katumpakan sa paulit-ulit na pagsusuri sa pagta-type gamit ang paningin, habang mahigit 90% naman ang nakuha sa gawaing may gumagalaw na target na larawan.

Humigit-kumulang doble ang walong oras ng matatag na pagrekord habang gumagawa ng pang-araw-araw na aktibidad kumpara sa pinakamahabang bahagi ng dalawa hanggang apat na oras na inilalarawan ng mga mananaliksik bilang karaniwan para sa tradisyonal na wet electrode. Sinubok sa ibang kondisyon ang mas mahabang sesyon habang nagpapahinga, na mas kaunti ang pisikal na paggalaw.

Tumutukoy ang mga natuklasan sa matagalang pagrekord at mga partikular na gawaing pagpili. Para sa gagamit sa hinaharap, ang praktikal na pakinabang ay maaaring ang mas kaunting pagkaantala dahil sa paghina ng koneksiyon ng sensor habang nagmamanman o nakikipag-usap.

Mula sa batch sa laboratoryo tungo sa naisusuot na device

Kayang gumawa ng proseso ng 300 electrode sa isang pagkakataon, ayon sa pangkat, at maaari ring iakma ang sukat ng mga ito upang magkasya sa mga komersiyal na EEG cap. Dahil tugma ang mga ito sa mga umiiral nang cap, maaaring maisama ang disenyo sa kagamitang ginagamit na sa paglalagay ng mga sensor sa paligid ng ulo.

Ayon sa mga mananaliksik, angkop ang proseso sa produksiyon sa makatwirang halaga. Walang ibinigay na presyo kada electrode, petsa ng komersiyal na paglabas, kabuuang bilang ng mga kalahok o bilis ng pagta-type sa mga paglalarawan ng pag-aaral. Makakatulong ang mga detalyeng ito upang matukoy kung abot-kaya ang mga electrode, kung gaano kapare-parehong maiaangkop ang mga resulta sa iba't ibang gumagamit at kung gaano kabilis makikipag-usap ang isang tao.

Bago ang mga eksperimento sa tao, sinubok ng pangkat ang biocompatibility sa mga daga at iniulat na walang masamang reaksiyon. Tumutukoy ang biocompatibility sa ugnayan ng isang materyal sa buhay na tisyu, kabilang kung nagdudulot ng hindi kanais-nais na tugon ang pagkakadikit dito.

Mahalaga ang mga natuklasan tungkol sa paggawa at pagiging tugma, kasabay ng mga bilang ng katumpakan. Kailangang may pare-parehong estruktura, angkop na sukat at katanggap-tanggap na pagkakadikit sa balat ang naisusuot na electrode para sa paulit-ulit na paggamit, bukod pa sa malakas na signal na elektrikal.

Saan pumapaloob ang disenyo sa pananaliksik ng China tungkol sa BCI

Itinuturing ng China Academy of Information and Communications Technology na mahahalagang larangan ng pagpapaunlad ang kalidad ng electrode at ginhawa sa pagsusuot, ayon sa ulat nito sa pananaliksik sa BCI noong 2025. Ipinakikita ng mga halimbawang inilatag nito na nagsasaliksik ang mga siyentista ng iba't ibang paraan upang mapabuti ang pagkakadikit ng mga sensor sa katawan.

Bumuo ang mga mananaliksik sa Sun Yat-sen University ng dry electrode patch na gumagamit ng microneedle. Ayon sa ulat ng akademya, pinahusay ng disenyo ang kalidad ng signal kumpara sa karaniwang patag na estruktura at nakamit nito ang katumpakan ng signal sa antas ng indibidwal na microneedle.

Bumuo naman ang Ilmenau University of Technology sa Germany ng mga dry electrode na may mga nakahilig na pin na nakaayos na parang bulaklak. Ayon sa ulat, nagpapaganda ng ginhawa ang ayos na ito habang nakaupo at nakatihaya, kaya angkop ito sa mga taong matagal na nakahiga sa kama.

Nakatuon ang paraan ng pangkat na gumawa ng hydrogel sa ibang pagsasama-sama ng mga katangian: unti-unting pagbabago sa tigas at tuluy-tuloy na suplay ng electrolyte. Iisa ang praktikal na layunin ng mga disenyong ito: mangalap ng kapaki-pakinabang na signal nang hindi nagiging hindi komportable o hindi maaasahan ang matagalang pagsusuot.

Ayon sa ulat ng akademya, mahigit 80% ng mga kumpanya ng BCI sa buong mundo ang nagsusulong ng teknolohiyang hindi nagsasalakay sa katawan, habang halos 20% naman ang gumagawa ng mga paraang nagsasalakay. Inuugnay nito ang mas malaking bahagi ng mga paraang hindi nagsasalakay sa mga pakinabang sa kaligtasan, higit na pagtanggap ng merkado, mas mababang gastos sa pagpapaunlad at mas maikling panahon bago maisapamilihan.

Bakit mahalaga ang mas matagal na pagrekord sa pangangalagang pangkalusugan

Kabilang ang matatanda at mga pasyenteng may malulubhang pangmatagalang kondisyon sa mga grupong maaaring makinabang sa mas matagal na pagrekord gamit ang mga naisusuot na device. Tinutukoy ng ulat ng akademya na ang tuluy-tuloy na pangangalap ng datos ay angkop sa pangangalagang nangangailangan ng matatag na pagmamanman sa mahabang panahon.

Isang kongkretong halimbawa ang pagtulog. Kabilang sa mga umiiral na produktong hindi nagsasalakay para sa kalusugan ng utak na binanggit sa ulat ang mga consumer device para sa pagmamanman ng tulog, at kasama rin sa mga medikal na gamit na pinauunlad ang mga karamdaman sa pagtulog. Tinutugunan ng electrode na nananatiling nakakabit habang nakahiga at nagpapalit ng posisyon ang isang praktikal na pangangailangan sa ganitong sitwasyon.

Tinutukoy rin ng mga mananaliksik ng hydrogel ang pananaliksik sa neurological at pagmamanman sa klinika bilang mga posibleng gamit, kabilang ang posibleng mga babalang may kaugnayan sa epilepsy. Nagbibigay ang maaasahang pagkuha ng EEG ng datos na kailangan ng ganitong sistema; kakailanganin din ng serbisyong nagbibigay ng klinikal na babala ang mga paraang nagbibigay-kahulugan sa datos at nagsusuri sa mga babala sa mga pasyente.

Posible ring gamitin ito sa komunikasyon. Inilalarawan ng akademya ang mga produktong BCI na nilayong tulungan ang mga taong may amyotrophic lateral sclerosis at iba pang kapansanan sa pagkilos na mag-type o magkontrol ng kagamitan. Para sa taong umaasa sa display upang pumili ng mga karakter, maaaring makatulong ang matatag na koneksiyon upang mapanatili ang kakayahang makipag-ugnayan sa mas mahabang sesyon.

Inilalapit ng pag-aaral ang mga posibilidad na ito sa praktikal na usapin ng pagsusuot: kung mananatiling kapaki-pakinabang ang electrode habang lumilipas ang mga oras at ipinagpapatuloy ng tao ang pang-araw-araw na gawain. Pangunahing ambag nito ang estruktura ng materyal na nagpanatili ng mga recording habang gumagalaw ang kalahok at sumuporta sa tumpak na mga pagpili gamit ang paningin sa matagalang pagsusuri.

Mahahalagang Punto

• Bumuo ang mga mananaliksik sa Guangxi University, Guangxi Medical University at Tsinghua University ng mga hydrogel electrode na unti-unting nagbabago ang tigas.
• Lumampas sa 94% ang katumpakan sa pagta-type gamit ang paningin sa paulit-ulit na pagsusuri sa sesyong habang nagpapahinga na tumagal nang 14 na oras.
• Napanatili ng hiwalay na eksperimento ang matatag na EEG recording sa loob ng walong oras habang naglalakad, kumakain, nagbabasa at natutulog ang kalahok.
• Tinutugunan ng malambot na bahaging dumidikit sa anit, mas matigas na koneksiyon sa circuit at magkakaibang estruktura ng mga pore ang paggalaw at pagkatuyo sa interface ng electrode.
• Kayang gumawa ng proseso ng 300 electrode nang sabay-sabay, sa mga sukat na tugma sa mga komersiyal na EEG cap.
• Kabilang sa mga posibleng gamit ang komunikasyon, pagmamanman ng tulog at pangangalagang neurological; kailangan pa ng karagdagang pagsusuri para sa mga partikular na klinikal na aplikasyon.