Naukowcy opracowali płynny atrament, który można drukować bezpośrednio na skórze głowy w celu monitorowania aktywności mózgu, co stanowi mniej inwazyjną alternatywę dla tradycyjnych konfiguracji EEG.
Atrament ten umożliwia tworzenie e-tatuaży, które dokładnie śledzą fale mózgowe i utrzymują łączność przez dłuższy czas. Innowacje te mogą drastycznie zmienić zastosowanie technologii interfejsu mózg-komputer, czyniąc je wygodniejszymi i wydajniejszymi dla użytkowników.
Innowacyjny płynny atrament do monitorowania aktywności mózgu
Po raz pierwszy naukowcy opracowali przełomowy płynny atrament, który można drukować bezpośrednio na skórze głowy pacjenta w celu monitorowania aktywności mózgu. Opublikowano 2 grudnia w czasopiśmie Biomateriały komórkoweta innowacyjna technologia stanowi prostszą i skuteczniejszą alternatywę dla tradycyjnych metod śledzenia fal mózgowych i diagnozowania schorzeń neurologicznych. Stwarza również duże nadzieje w zakresie rozwoju nieinwazyjnych technologii interfejsu mózg-komputer.
„Nasze innowacje w zakresie konstrukcji czujników, biokompatybilnego atramentu i szybkiego drukowania torują drogę przyszłej produkcji elektronicznych czujników do tatuażu na ciele, o szerokich zastosowaniach zarówno w warunkach klinicznych, jak i poza nimi” – mówi Nanshu Lu, współautor i badacz na Uniwersytecie Teksasu w Austin.
Rewolucjonizuje EEG za pomocą e-tatuaży
Elektroencefalografia (EEG) jest ważnym narzędziem do diagnozowania różnych schorzeń neurologicznych, w tym drgawek, guzów mózgu, epilepsji i uszkodzeń mózgu. Podczas tradycyjnego badania EEG technicy mierzą skórę głowy pacjenta za pomocą linijek i ołówków, zaznaczając kilkanaście miejsc, w których przyklejają elektrody, które są podłączone długimi przewodami do maszyny zbierającej dane w celu monitorowania aktywności mózgu pacjenta. Taka konfiguracja jest czasochłonna i uciążliwa, a także może być niewygodna dla wielu pacjentów, którzy muszą godzinami siedzieć przy badaniu EEG.
Lu i jej zespół są pionierami w opracowywaniu małych czujników śledzących sygnały cielesne z powierzchni ludzkiej skóry – jest to technologia znana jako tatuaże elektroniczne lub e-tatuaże. Naukowcy zastosowali e-tatuaże na klatce piersiowej, aby zmierzyć czynność serca, na mięśniach, aby zmierzyć stopień ich zmęczenia, a nawet pod pachami, aby zmierzyć zawartość potu.
Pokonywanie wyzwań
W przeszłości e-tatuaże drukowano zwykle na cienkiej warstwie samoprzylepnego materiału przed przeniesieniem na skórę, ale było to skuteczne tylko w przypadku obszarów bezwłosych.
„Projektowanie materiałów kompatybilnych z owłosioną skórą było ciągłym wyzwaniem w technologii e-tatuażu” – mówi Lu. Aby temu zaradzić, zespół zaprojektował rodzaj płynnego atramentu wykonanego z polimerów przewodzących. Atrament może przepływać przez włosy i docierać do skóry głowy, a po wyschnięciu działa jak czujnik cienkowarstwowy, rejestrując aktywność mózgu przez skórę głowy.
Za pomocą algorytmu komputerowego badacze mogą zaprojektować miejsca na elektrody EEG na skórze głowy pacjenta. Następnie za pomocą sterowanej cyfrowo drukarki atramentowej natryskują cienką warstwę atramentu do e-tatuażu na plamy. Naukowcy twierdzą, że proces jest szybki, nie wymaga kontaktu i nie powoduje dyskomfortu u pacjentów.
Porównanie e-tatuaży i tradycyjnego EEG
Zespół wydrukował elektrody do e-tatuażu na głowach pięciu uczestników z krótkimi włosami. Przymocowali także konwencjonalne elektrody EEG obok e-tatuaży. Zespół odkrył, że e-tatuaże radzą sobie porównywalnie dobrze z wykrywaniem fal mózgowych przy minimalnym poziomie hałasu.
Po sześciu godzinach żel na konwencjonalnych elektrodach zaczął wysychać. Ponad jedna trzecia tych elektrod nie odebrała żadnego sygnału, chociaż większość pozostałych elektrod miała ograniczony kontakt ze skórą, co skutkowało mniej dokładną detekcją sygnału. Z kolei elektrody do e-tatuażu wykazywały stabilną łączność przez co najmniej 24 godziny.
Ponadto badacze ulepszyli formułę atramentu i wydrukowali linie e-tatuażu biegnące od elektrod do podstawy głowy, aby zastąpić przewody używane w standardowym teście EEG. „To ulepszenie umożliwiło drukowanym przewodom przewodzenie sygnałów bez odbierania po drodze nowych sygnałów” – mówi współautor-korespondent Ximin He z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles.
Następnie zespół podłączył znacznie krótsze fizyczne przewody pomiędzy tatuażami do małego urządzenia zbierającego dane dotyczące fal mózgowych. Zespół oznajmił, że w przyszłości planuje osadzić w e-tatuażach bezprzewodowe nadajniki danych, aby umożliwić w pełni bezprzewodowy proces EEG.
Potencjalny wpływ na urządzenia interfejsu mózg-komputer
„Nasze badanie może potencjalnie zrewolucjonizować sposób projektowania nieinwazyjnych urządzeń interfejsu mózg-komputer” – mówi współautor-korespondent José Millán z Uniwersytetu Teksasu w Austin. Urządzenia interfejsu mózg-komputer działają poprzez rejestrowanie aktywności mózgu związanych z funkcją, taką jak mowa lub ruch, i wykorzystują je do sterowania urządzeniem zewnętrznym bez konieczności poruszania mięśniem.
Obecnie urządzenia te często wymagają dużego zestawu słuchawkowego, który jest uciążliwy w użyciu. Millán twierdzi, że e-tatuaże mogą zastąpić urządzenie zewnętrzne i wydrukować elektronikę bezpośrednio na głowie pacjenta, czyniąc technologię interfejsu mózg-komputer bardziej dostępną.
Odniesienie: „Drukowanie na skórze głowy spersonalizowanych e-tatuaży elektroencefalograficznych” Scalco de Vasconcelos i in., 2 grudnia 2024 r., Biomateriały komórkowe.
DOI: 10.1016/j.celbio.2024.100004
