Revoluci v monitorování mozkových vln v reálném čase přináší tetování

3. 12. 2024 (mai) - Výzkumníci na Texaské univerzitě v Austinu vyvinuli vodivý inkoust, který lze tisknout přímo na pokožku hlavy a využít jej jako elektrody pro monitorování mozkové aktivity. Nabízí tak dokonce méně na rušení citlivou alternativu k tradičním nastavením EEG.

Tento inkoust umožňuje vytvářet elektronická tetování, která přesně sledují mozkové vlny a udržují konektivitu po dlouhou dobu. Tyto inovace by mohly drasticky změnit aplikaci technologií rozhraní mozek-počítač a učinit je pro uživatele pohodlnějšími a efektivnějšími.

Vědci tak vyvinuli převratný tekutý inkoust, který lze tisknout přímo na pokožku hlavy pacienta a monitorovat jeho mozkovou aktivitu. Tato inovativní technologie, zveřejněná 2. prosince v časopise Cell Biomaterials, představuje jednodušší a účinnější alternativu k tradičním metodám sledování mozkových vln a diagnostiky neurologických stavů. Je také významným příslibem pro pokrok v neinvazivních technologiích rozhraní mozek-počítač.

"Naše inovace v designu senzorů, biokompatibilním inkoustu a vysokorychlostním tisku dláždí cestu pro budoucí výrobu elektronických tetovacích senzorů na těle s širokými aplikacemi v klinickém prostředí i mimo něj," říká Nanshu Lu, spoluodpovídající autor a výzkumník Texaské univerzity v Austinu.

Elektroencefalografie (EEG) je důležitým nástrojem pro diagnostiku různých neurologických stavů, včetně záchvatů, mozkových nádorů, epilepsie a poranění mozku. Během tradičního EEG testu technici změří pacientovu pokožku hlavy pomocí pravítek a tužek a označí více než tucet míst, kde nalepí elektrody, které jsou pomocí dlouhých drátů připojeny ke stroji pro sběr dat, aby monitorovaly pacientovu mozkovou aktivitu. Toto nastavení je časově náročné a těžkopádné a může být nepříjemné pro mnoho pacientů, kteří musí u EEG testu sedět celé hodiny.

Lu a její tým jsou průkopníky ve vývoji malých tištěných senzorů, které sledují tělesné signály z povrchu lidské kůže, což je technologie známá jako elektronické tetování nebo e-tetování. Vědci aplikovali e-tetování na hrudník, aby změřili srdeční činnost, na svaly, aby změřili, jak jsou unavení, a dokonce i do podpaží, aby změřili složky potu.

V minulosti se e-tetování obvykle tisklo na tenkou vrstvu adhezivního materiálu před přenesením na kůži, ale to bylo účinné pouze na místech bez chloupků.

"Navrhování materiálů, které jsou kompatibilní s chlupatou kůží, bylo v technologii elektronického tetování trvalou výzvou," říká Lu. Aby to tým překonal, navrhl typ tekutého inkoustu vyrobeného z vodivých polymerů. Inkoust může protékat vlasy, aby se dostal k pokožce hlavy, a po zaschnutí funguje jako tenkovrstvý senzor, který zaznamenává mozkovou aktivitu přes pokožku hlavy.

Pomocí počítačového algoritmu mohou vědci navrhnout místa pro elektrody EEG na pokožce hlavy pacienta. Poté pomocí digitálně řízené inkoustové tiskárny nastříkají na skvrny tenkou vrstvu inkoustu pro elektronické tetování. Tento proces je rychlý, nevyžaduje žádný kontakt a nezpůsobuje pacientům žádné nepohodlí, uvedli vědci.

Tým natiskl elektrody pro elektronické tetování na pokožku hlavy pěti účastníků s krátkými vlasy. Vedle e-tetování také připevnili konvenční elektrody EEG. Tým zjistil, že e-tetování fungovalo srovnatelně dobře při detekci mozkových vln s minimálním šumem.

Po šesti hodinách začal gel na konvenčních elektrodách vysychat. Více než třetina těchto elektrod nedokázala zachytit žádný signál, ačkoli většina zbývajících elektrod ještě měla omezený kontakt s kůží, což vedlo k méně přesné detekci signálu. Elektrody pro e-tetování na druhou stranu vykazovaly stabilní konektivitu po dobu nejméně 24 hodin.

Kromě toho výzkumníci upravili vzorec inkoustu a vytiskli čáry e-tetování, které vedou dolů k základně hlavy od elektrod, aby nahradily dráty používané ve standardním EEG testu. "Toto vylepšení umožnilo tištěným vodičům vést signály, aniž by cestou zachytily nové signály," říká spolukorespondent Ximin He z University of California v Los Angeles.

Tým poté připojil mnohem kratší fyzické dráty mezi tetování k malému zařízení, které sbírá data o mozkových vlnách. Tým uvedl, že v budoucnu plánují zabudovat bezdrátové datové vysílače do e-tetování, aby dosáhli plně bezdrátového procesu EEG.

"Naše studie může potenciálně způsobit revoluci ve způsobu, jakým jsou navržena neinvazivní zařízení s rozhraním mozek-počítač," říká spolukorespondent José Millán z Texaské univerzity v Austinu. Zařízení rozhraní mozek-počítač fungují tak, že zaznamenávají mozkové aktivity spojené s určitou funkcí, jako je řeč nebo pohyb, a používají je k ovládání externího zařízení, aniž byste museli pohnout svalem.

V současné době tato zařízení často zahrnují velkou náhlavní soupravu, která je těžkopádná. E-tetování má potenciál nahradit externí zařízení a tisknout elektroniku přímo na hlavu pacienta, díky čemuž je technologie rozhraní mozek-počítač dostupnější, říká Millán.

Odkaz: "Tisk personalizovaných elektroencefalografických e-tetování na pokožku hlavy" Scalco de Vasconcelos et al., 2. prosince 2024, Cell Biomaterials .

DOI: 10.1016/j.celbio.2024.100004

- mai