Впервые ученые изобрели жидкие чернила, которые врачи могут печатать на коже головы пациента для измерения мозговой активности. Технология, представленная 2 декабря в журнале Cell Biomaterials, предлагает многообещающую альтернативу громоздкому процессу, который в настоящее время используется для мониторинга мозговых волн и диагностики неврологических заболеваний. Она также имеет потенциал для улучшения неинвазивных приложений интерфейса мозг-компьютер.
«Наши инновации в области разработки датчиков, биосовместимых чернил и высокоскоростной печати прокладывают путь к будущему производству электронных датчиков для татуировок на теле с широким спектром применения как в клинических условиях , так и за их пределами », — говорит Наньшу Лу, соавтор статьи из Техасского университета в Остине.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) является важным инструментом для диагностики различных неврологических состояний, включая судороги, опухоли мозга , эпилепсию и травмы мозга. Во время традиционного теста ЭЭГ специалисты измеряют кожу головы пациента с помощью линеек и карандашей, отмечая более дюжины точек, куда они будут приклеивать электроды, которые подключаются к машине сбора данных с помощью длинных проводов для мониторинга активности мозга пациента. Эта установка занимает много времени и обременительна, и она может быть неудобной для многих пациентов, которые должны часами сидеть во время теста ЭЭГ.
Лу и ее команда были пионерами в разработке небольших датчиков, которые отслеживают телесные сигналы с поверхности человеческой кожи, технология, известная как электронные татуировки, или e-татуировки. Ученые наносили e-татуировки на грудь, чтобы измерять сердечную деятельность, на мышцы, чтобы измерять степень их усталости, и даже под мышкой, чтобы измерять компоненты пота.
Раньше электронные татуировки обычно печатались на тонком слое липкого материала, а затем переносились на кожу, но это было эффективно только на безволосых участках.
«Разработка материалов, совместимых с волосистой частью кожи, всегда была сложной задачей в технологии электронной татуировки», — говорит Лу.
Чтобы преодолеть это, команда разработала тип жидких чернил из проводящих полимеров. Чернила могут течь по волосам, чтобы достичь кожи головы, и после высыхания они работают как тонкопленочный датчик, улавливая активность мозга через кожу головы.
Используя компьютерный алгоритм , исследователи могут проектировать точки для электродов ЭЭГ на голове пациента. Затем они используют струйный принтер с цифровым управлением, чтобы распылить тонкий слой чернил электронной татуировки на точки. Процесс быстрый, не требует контакта и не вызывает дискомфорта у пациентов, говорят исследователи.
Команда напечатала электроды электронной татуировки на скальпах пяти участников с короткими волосами. Они также прикрепили обычные электроды ЭЭГ рядом с электронными татуировками. Команда обнаружила, что электронные татуировки показали себя сравнительно хорошо в обнаружении мозговых волн с минимальным шумом.
Через шесть часов гель на обычных электродах начал высыхать. Более трети этих электродов не смогли уловить сигнал, хотя большинство оставшихся электродов имели уменьшенный контакт с кожей, что привело к менее точному обнаружению сигнала. Электроды e-tattoo, с другой стороны, показали стабильную связь в течение как минимум 24 часов.
Кроме того, исследователи изменили формулу чернил и напечатали линии электронной татуировки, которые спускаются к основанию головы от электродов, заменив провода, используемые в стандартном тесте ЭЭГ.
«Эта доработка позволила печатным проводам проводить сигналы, не улавливая по пути новые сигналы», — говорит соавтор Симин Хэ из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Затем команда прикрепила гораздо более короткие физические провода между татуировками к небольшому устройству, которое собирает данные мозговых волн. Команда заявила, что в будущем они планируют встроить беспроводные передатчики данных в электронные татуировки, чтобы достичь полностью беспроводного процесса ЭЭГ.
«Наше исследование может потенциально произвести революцию в разработке неинвазивных интерфейсов мозг-компьютер», — говорит соавтор Хосе Миллан из Техасского университета в Остине.
Устройства интерфейса «мозг-компьютер» работают, регистрируя активность мозга, связанную с определенной функцией, например, речью или движением, и используют ее для управления внешним устройством без необходимости напрягать мышцы.
В настоящее время эти устройства часто включают в себя большую гарнитуру, которую неудобно использовать. Электронные татуировки имеют потенциал заменить внешнее устройство и печатать электронику прямо на голове пациента, делая технологию интерфейса мозг-компьютер более доступной, говорит Миллан.