Мозг человека работает неустанно, без выходных и отпусков. Учитывая, что мозг является центром обработки данных организма, курируя все процессы, недооценивать его важность крайне проблематично. Нарушения работы мозга могут повлиять на множество функций организма, а потому крайне важным является мониторинг его состояния. Чем точнее и продолжительнее мониторинг, особенно у людей в группе риска (врожденные дефекты, заболевания, травмы и т.д.), тем эффективнее будет дальнейшее лечение. Одним из самых продвинутых методов оценки состояния мозга является ЭЭГ (электроэнцефалограмма). Однако устройства, используемые для ЭЭГ, не очень подходят для длительного мониторинга. Потому ученые из Университета штата Пенсильвания (США) разработали носимое неинвазивное ЭЭГ устройство, визуально похожее на волос. Из чего сделан ЭЭГ-волос, как именно он работает, и насколько точны собираемые им данные? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Электроэнцефалография (ЭЭГ), неинвазивный подход к мониторингу активности мозга, позволяет быстро исследовать физиологические состояния и дисфункции человеческого мозга с высоким временным разрешением, что необходимо для клинической диагностики, терапии и исследований в области нейронауки. Кроме того, хроническая (длительная) надежная запись ЭЭГ имеет большое значение для клинических приложений, таких как мониторинг приступов, оценка нарушений сна, цереброваскулярных заболеваний, психиатрических состояний и двигательных расстройств. Однако надежная запись ЭЭГ является сложной задачей из-за слабого характера сигнала ЭЭГ и наличия густых волос на коже головы, которые вызывают зазоры между кожей головы и регистрирующими электродами. Это приводит к колебаниям импеданса интерфейса между электродом и кожей. Для высококачественной записи ЭЭГ очень важны хорошая конформность и благоприятное механическое взаимодействие с тканями кожи человека.
Традиционные системы ЭЭГ обычно используют электроды с золотыми чашками или влажные электроды Ag/AgCl, которые требуют нанесения проводящих гелей для поддержания надлежащего контакта с кожей головы. Эти системы широко используются в клинических и исследовательских условиях из-за их способности захватывать сигналы ЭЭГ из мозга. Хотя влажные электроды часто считаются эталоном для мониторинга ЭЭГ, они сталкиваются с определенными препятствиями, которые ограничивают их практичность и комфорт пользователя. Важной проблемой является дискомфорт, вызываемый электродами, особенно когда их необходимо носить в течение длительного времени. Гели имеют тенденцию со временем высыхать, что требует частого повторного нанесения для поддержания качества сигнала. Более того, жесткая природа этих электродов может вызвать нестабильность сигнала из-за движения. Любое небольшое смещение или движение электродов может привести к значительным артефактам и шуму в записанных сигналах, что ставит под угрозу точность и надежность данных. Эта нестабильность особенно проблематична в исследованиях, где субъекты должны выполнять физические действия. Кроме того, их хроническая надежность и стабильность подвергаются риску из-за высыхания проводящих гелей и непоследовательности в положении электродов в разных сеансах записи. Потенциальная возможность раздражения кожи от нанесения гелей еще больше снижает осуществимость традиционных систем ЭЭГ для непрерывного, долгосрочного использования.
Используя высокую гибкость и растяжимость, а также низкий механический модуль электродного материала в сочетании с надежными адгезионными свойствами биоадгезивного компонента, ученые разработали устройство, похожее на волос, для стабильного хронического мониторинга ЭЭГ. Это устройство можно прикрепить к коже головы человека без необходимости нанесения проводящего электролитного геля. Устройство разработано таким образом, чтобы быть исключительно тонким, легким и хорошо прилегать к коже головы, предлагая более удобный и стабильный интерфейс для записи ЭЭГ.
Исключительные адгезионные свойства биоадгезивного материала способствуют формированию надежного интерфейса между регистрирующими электродами и кожей головы. Это обеспечивает стабильное расположение электродов, что позволяет непрерывно и комфортно носить устройство без риска отслаивания или раздражения кожи. Ученые решили создать устройство именно в виде волоса, чтобы позволить людям использовать его незаметно без социальной стигмы или чувства отчуждения. Такая незаметная интеграция в повседневную жизнь особенно полезна для людей, которым требуется непрерывный мониторинг ЭЭГ, например, страдающих эпилепсией или другими неврологическими заболеваниями.
Результаты исследования
Для изготовления волосоподобного устройства для записи ЭЭГ ученые использовали прямую чернильную 3D-печать (DIW от direct ink writing), универсальную технику, которая позволяет точно наносить узоры различными чернилами посредством контролируемого движения сопла в трехмерном пространстве, создавая устройство слой за слоем. Этот метод обеспечивает высокое пространственное разрешение, сокращенное время изготовления устройства и превосходную воспроизводимость, что делает его идеальной методологией для создания сложных многослойных структур с точностью, необходимой для данного устройства. Был использован проводящий полимерный гидрогелевый материал для электродного слоя, который состоит из поли(3,4-этилендиокситиофена): полистиролсульфоната (PEDOT:PSS от poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate) и гидрофильного полиуретана (PU от polyurethane). Этот гидрогелевый материал демонстрирует высокую электропроводность (> 11 См/см) и высокую растяжимость (~400%), обеспечивая оптимальные свойства для устройства, имитирующего волос.
Изображение №1
Конструктивно устройство, похожее на волос, состоит из четырех слоев (1a(ii)): центральный проводящий полимерный гидрогелевый электродный слой зажат между двумя слоями инкапсуляции PDMS. Электродный слой состоит из 3 компонентов: интерфейс, межсоединение и выходной блок. На участке интерфейса один слой PDMS используется для обнажения электрода, что позволяет ему напрямую получать сигналы от кожи головы. Кроме того, клейкий слой напечатан вокруг электродного слоя поверх нижнего слоя PDMS, чтобы закрепить устройство на месте.
Как говорилось ранее, устройство было разработано для длительного ношения, позволяя субъектам поддерживать свою повседневную жизнь без каких-либо помех или заметных косметических изменений. Интерфейсная часть похожего на волосы устройства, которая прилипает к коже головы, имеет круглую форму диаметром 1.5 мм, что оптимизирует контакт с кожей с минимальной интрузивностью. Соединительная часть устройства разработана так, чтобы иметь ширину 300 мкм, обеспечивая тонкую, похожую на волосы структуру, которая легко интегрируется с натуральными волосами (1b). Эта тонкая конструкция сводит к минимуму любое эстетическое воздействие и обеспечивает легкость и гибкость устройства, повышая комфорт пользователя. После размещения устройство естественным образом сцепляется с волосами, становясь практически невидимым и сохраняя естественный внешний вид пользователя (1c). Помимо косметических преимуществ, похожий на волосы дизайн гарантирует, что устройство не будет мешать повседневной деятельности. Его прочное сцепление и гибкость позволяют ему прочно оставаться на месте во время движения, упражнений и обычного ухода за волосами (1d). Чтобы удовлетворить потребности людей с разным цветом волос, ученые также разработали устройство разных цветов (1e), используя биосовместимые красители в печатном материале.
Биоадгезив был синтезирован с использованием метода полимеризации с УФ-поддержкой. Раствор, содержащий PU, этанол, деионизированную воду, акриловую кислоту, α-кетоглутаровую кислоту и бензофенон, подвергался воздействию УФ-излучения. В этом процессе α-кетоглутаровая кислота инициировала полимеризацию акриловой кислоты, в то время как бензофенон генерировал радикальные участки в PU, способствуя ковалентному связыванию поли(акриловой) кислоты (PAA от poly(acrylic) acid). Полученный PU, интегрированный с PAA, затем очищался посредством диализа в этаноле и воде последовательно для удаления любых непрореагировавших реагентов, после чего тщательно высушивался. Чтобы превратить синтезированный PU, интегрированный с PAA, в печатные чернила, его растворяли в водном растворе этанола. N-(3-диметилэтиламинопропил) — гидрохлорид N-этилкарбодиимида (EDC) и N-этил-N′-(, N-гидроксисукцинимид) (NHS) были введены в раствор для введения функциональных групп эфира NHS в цепи PAA. Введение эфиров NHS значительно улучшает адгезионные свойства полимера за счет повышения его реакционной способности с аминогруппами, присутствующими в белках и других биомолекулах. Эта повышенная реакционная способность способствует образованию прочных и долговечных ковалентных связей, что делает клей высокоэффективным для биологических применений. Ковалентная связь обеспечивает надежное прикрепление волосоподобного устройства к коже. Перед 3D-печатью раствор смешивали с PU для точной регулировки его вязкости, что позволяет осуществлять 3D-печать с высоким разрешением.
Реологические свойства разработанного биоадгезива демонстрируют поведение истончения сдвига, что характерно для неньютоновских жидкостей. Для прямой печати (DIW) чернила должны плавно течь через сопло под давлением и быстро восстанавливаться до своей первоначальной формы после экструзии. Быстро снижающаяся вязкость при более высокой скорости сдвига позволяет чернилам легко течь через тонкое сопло под давлением, сводя к минимуму риск засорения сопла и обеспечивая непрерывный поток. Высокая вязкость при низкой скорости сдвига делает материал устойчивым к растеканию при печати, что позволяет точно печатать адгезивный слой устройства.
Изображение №2
Для измерения адгезионных характеристик биоадгезива к поверхности кожи была измерена сила адгезии на границе между биоадгезивом и кожей. Биоадгезив продемонстрировал благоприятную адгезию к поверхности кожи со средней силой адгезии 0.7 Н/см (2d). Благодаря высокой плотности заряженных групп карбоновых кислот цепи PAA могут быстро консолидироваться с поверхностями тканей, образуя межмолекулярные водородные связи. Реактивные группы эфиров NHS дополнительно усиливают адгезию к ткани, взаимодействуя с первичными аминами на поверхности тканей, образуя ковалентные амидные связи. Гидрофильные цепи PAA усиливают быстрое поглощение воды на границе раздела, позволяя биоадгезиву поддерживать прочную адгезию к коже даже во время воздействия воды, например, во время душа, или когда на коже головы во время физических упражнений образуется пот.
Также была проведена оценка адгезионных характеристик устройства с использованием биоадгезива по сравнению с коммерческой адгезивной пастой EEG (2e). Устройство с биоадгезивом продемонстрировало значительно более прочное и долговечное сцепление с поверхностью кожи по сравнению с коммерческой адгезивной пастой ЭЭГ (2f-2g). Биоадгезив продемонстрировал адгезионные характеристики, которые почти вдвое превышают прочность коммерческого геля (n = 4) (2g). Биоадгезив продемонстрировал механическую прочность с высокой гибкостью и растяжимостью, что позволило осуществить бесшовную интеграцию с неплоскими поверхностями кожи. Биоадгезив можно растянуть примерно в восемь раз от его первоначальной длины с модулем Юнга 42 кПа (2h), что сопоставимо с модулем упругости ткани мышц и кожи. Кроме того, его можно удалить, не повреждая кожу.
Изображение №3
Для электрической связи необходим тесный интерфейс между электродом устройства и кожей. Используя высокопрочную природу биоадгезива, можно этого достичь. Чтобы оценить их интерфейс, была проведена электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS от electrochemical impedance spectroscopy) устройства, чтобы изучить интерфейсные импедансы электрода устройства и кожи как на запястье, так и на коже головы. Для сравнительного анализа также измерился импеданс золотого ЭЭГ-электрода с коммерческой электропроводящей пастой.
Надежная адгезия биоадгезива и гибкость гидрогелевого электрода способствовали конформному контакту с кожной тканью. Следовательно, устройство продемонстрировало более низкий электрический импеданс электрод-кожа по сравнению с коммерческим золотым электродом. В частности, устройство показало импеданс кожи 26.02 кОм при 100 Гц и 43.89 кОм при 10 Гц на запястье (3b). На коже головы устройство показало импеданс 14.83 кОм при 100 Гц и 16.72 кОм при 10 Гц (3c).
Чтобы убедиться, что устройство в виде волоса незаметно и не мешает повседневной деятельности, были протестированы его долгосрочную адгезию и электрические характеристики. Устройство было размещено на коже головы субъекта, который затем продолжил свою обычную повседневную деятельность в течение 24 часов (3d). Электрохимическую импедансную спектроскопию (EIS) для определения интерфейсного импеданса электрода устройства и кожи на головы проводили после 12 и 24 часов непрерывного ношения. Результаты показали, что импеданс оставался стабильным без заметного увеличения через 12 и 24 часа (3e). Эти результаты подчеркивают потенциал устройства в виде волоса для долгосрочных высокоточных электрофизиологических записей, о чем свидетельствуют его более низкие значения импеданса и стабильный интерфейс кожа-электрод.
Перед 3D-печатью ученые протестировали реологическое поведение всех компонентов волосовидного электрода. Реологические характеристики показывают, что как чернила PDMS, так и чернила электрода PEDOT:PSS демонстрируют поведение истончения сдвига, при котором вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига, обеспечивая плавный поток материала при механическом напряжении, сохраняя при этом структурную целостность после печати. Как носимое устройство ЭЭГ-волос должен выдерживать различные силы, возникающие во время обычных действий, таких как расчесывание или обработка волос. Для надежного применения устройство должно обладать свойствами восстановления после деформации.
Ученые протестировали производительность устройства при циклической растягивающей нагрузке и одиночной растягивающей нагрузке. Устройство продемонстрировало механическую прочность с высокой растяжимостью и цикличностью растяжения, что полезно для реальных применений. Для устройства были проведены последовательные циклические испытания на растяжение с максимальной деформацией 10%. Устройство показало стабильные электрические характеристики после 10, 50 и 100 циклов нагрузки (3f). Устройство также обладает высокой растяжимостью с предельной деформацией до 200% (3g).
Изображение №4
Для ЭЭГ качество сигнала критически зависит от способности устройства плотно прилегать к коже. Любой зазор может значительно ухудшить качество сигнала за счет увеличения импеданса и увеличения помех от внешнего шума. Благодаря превосходным адгезионным характеристикам биоадгезивного слоя, а также гибкости и растяжимости инкапсуляционных слоев и слоя гидрогелевого электрода, испытуемое устройство достигает превосходной прилегаемости к коже даже при наличии густых волос. Конструкция устройства гарантирует минимальное вмешательство со стороны волос, что позволяет устройству поддерживать тесный контакт с кожей головы. Надежное сцепление предотвращает любое смещение или подъем электродов, в то время как гибкие материалы соответствуют контурам кожи головы, обеспечивая постоянное получение сигнала. В результате устройство может захватывать высококачественные сигналы ЭЭГ.
Чтобы подтвердить эффективность устройства для записи ЭЭГ, ученые провели исследование, сосредоточившись на альфа-активности ЭЭГ, зарегистрированной в затылочной области волосистой части головы. Эта область особенно важна для генерации альфа-волн, которые обычно наблюдаются, когда люди находятся в расслабленном состоянии с закрытыми глазами. Были записаны сигналы ЭЭГ как в состоянии с открытыми, так и в состоянии с закрытыми глазами, используя ЭЭГ-волос.
Записи выявили четкие различия между сигналами, обнаруженными в этих двух состояниях. В состоянии с закрытыми глазами (4a-4c) анализ спектральной плотности мощности (PSDA от power spectral density analysis) (4c) показал выраженный альфа-ритм с четким центральным пиком около 10 Гц, характерную особенность альфа-ритмов. Альфа-ритмы обычно находятся в диапазоне от 8 до 12 Гц и связаны с состоянием расслабленного бодрствования с уменьшенной визуальной обработкой и более интроспективным состоянием ума. Альфа-волны наиболее заметны, когда зрительная кора простаивает, например, когда глаза закрыты, что позволяет более четко обнаруживать эти мозговые волны.
Напротив, в состоянии с открытыми глазами (4d-4f) PSDA (4f) показал отсутствие альфа-ритма, что согласуется с известным подавлением альфа-волн при открытых глазах, поскольку мозг переключает свою активность на обработку визуальной информации и внешних стимулов. Четкий центральный пик около 10 Гц, наблюдаемый в состоянии PSDA с закрытыми глазами, подчеркивает способность устройства точно улавливать альфа-ритмы. Для сравнительного анализа были записаны сигналы ЭЭГ из затылочной области с помощью коммерческого золотого электрода с ЭЭГ пастой (4g-4l). Результаты показали, что ЭЭГ-волос эффективно улавливал высококачественные сигналы ЭЭГ, демонстрируя точность, сопоставимую с точностью коммерческих золотых электродов, а в некоторых случаях и превосходящую ее.
Изображение №5
Кроме того, похожее на волос устройство обеспечивало высокоточную запись сигналов ЭЭГ в течение длительного периода, сохраняя надежную работу в течение более 24 часов непрерывного ношения. Эта долгосрочная стабильность объясняется превосходной электрической стабильностью устройства, превосходными механическими свойствами и прочным контактом с кожей головы. Сигналы ЭЭГ регистрировались при первоначальном размещении электрода на коже головы, после чего испытуемые занимались своей обычной повседневной деятельностью. Последующие записи ЭЭГ собирались с интервалами в 3, 6 и 12 часов. Испытуемые сохраняли свой обычный режим сна и позы сна в течение ночи. На следующий день, после 24 часов непрерывного ношения, сигналы ЭЭГ были зарегистрированы снова. Альфа-волны ЭЭГ, зарегистрированные в различные временные точки, не показали заметного ухудшения качества. Записи в различные промежутки времени неизменно демонстрировали высокую точность с четкими паттернами, характеризующимися пиковой частотой около 10 Гц в состоянии с закрытыми глазами (5a) и отсутствием различимого пика в состоянии с открытыми глазами (5b). Постоянство записанных сигналов в различные промежутки времени убедительно подчеркивает надежность устройства для долгосрочного мониторинга ЭЭГ.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые разработали и протестировали устройство, напоминающее волос, которое может неинвазивно считывать данные ЭЭГ. Данное устройство имеет небольшие габариты, легко и надежно прикрепляется к коже головы, и за счет своего внешнего вида остается не заметным. Надежность крепления позволяет получать постоянные и качественные ЭЭГ данные от пользователя, а также не мешать его повседневной активности.
Традиционные методы ЭЭГ сопряжены с использованием жестких электродов и специального геля, нацеленного на улучшение электропроводности и, как следствие, считывания сигналов мозга. Проблема в том, что такие электроды легко смещаются с закрепленной позиции даже при минимальных изменениях положения головы, гель необходимо наносить периодически, так как он высыхает, а постоянное (фактически, круглосуточное) ношение невозможно.
ЭЭГ-волос, напечатанные на 3D-принтере, использует биоадгезивные чернила, что позволяет электроду приклеиваться непосредственно к коже головы без необходимости использования липких гелей или другой подготовки кожи. Это не только минимизирует зазор между устройством и кожей, что крайне важно для получения качественных сигналов, но и нивелирует необходимость периодического нанесения геля, что приводит к смещению электродов.
На данный момент устройство пока еще остается проводным, а потому для считывания данных оно должно быть подключено к специальному оборудованию. Однако ученые намерены продолжить работу над ЭЭ-волосом, чтобы сделать его полностью беспроводным, что позволить собрать данные об активности мозга в любой момент времени без необходимости визита пациента в клинику и использования громоздкого оборудования.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
