Przyszłość monitorowania elektroencefalografii (EEG) może wkrótce wyglądać jak pasmo włosów. Zamiast tradycyjnych metalowych elektrod, sieci drutów i lepkich klejów, zespół badaczy z Penn State stworzył urządzenie lotnicze do długoterminowego, nieinwazyjnego monitorowania aktywności elektrycznej mózgu. Lekka i elastyczna elektrodę przyczepia się bezpośrednio do skóry głowy i zapewnia stabilne, wysokiej jakości zapisy sygnałów mózgu.
EEG ma kluczowe znaczenie dla diagnozowania i oceny warunków neurologicznych, takich jak padaczka i urazy mózgu. W niektórych przypadkach klinicyści muszą monitorować fale mózgu przez dłuższy czas, na przykład w celu oceny napadów, zaburzeń snu i stanów, które wpływają na naczynia krwionośne i przepływ krwi w mózgu.
Naukowcy opisali nowe elektrody, które wykazano, że utrzymują stabilną wydajność przez ponad 24 godziny ciągłego zużycia, w badaniu opublikowanym w czasopiśmie NPC Biomedical Innovations. Według naukowców technologia ta obiecuje stosowanie w produktach zdrowia konsumentów i odnowy biologicznej, oprócz klinicznej opieki zdrowotnej.
„Ta elektroda pozwala na bardziej spójne i niezawodne monitorowanie sygnałów EEG i może być noszona bez zauważalności, co poprawia zarówno funkcjonalność, jak i komfort pacjentów” – powiedział Tao Zhou, profesor wczesnej kariery w Wormley Family Early Career of Engineering Science and Mechanics oraz starszy autor.
Zhou wyjaśnił, że monitorowanie EEG jest szeroko stosowaną metodą pomiaru aktywności elektrycznej mózgu. Małe elektrody metalowe są umieszczane na skórze głowy i zbierają słabe impulsy elektryczne generowane przez komórki w mózgu. Elektrody są przymocowane do przewodów, które są następnie podłączone do maszyny, która wyświetla aktywność mózgu jako wzory, które wyglądają jak fale.
Tradycyjny proces monitorowania EEG może jednak być kłopotliwym – a czasem niechlujnym – romansem. Jego ograniczenia utrudniają stosowanie do ciągłego, długoterminowego monitorowania.
Aby uzyskać dobre rejestrowanie aktywności mózgu, elektrody muszą być zgodne z skórę głowy. Wszelkie szczeliny między elektrodą a skórą lub gęstymi włosami mogą zmniejszyć jakość zarejestrowanego sygnału. Naukowcy i klinicyści muszą stosować żele do skóry głowy, aby utrzymać dobry kontakt powierzchniowy między elektrodami i jakością skóry i sygnału. Jednak dla niektórych osób żele mogą powodować podrażnienie skóry.
Jest to czasochłonny proces, który należy powtórzyć, gdy żele wyschły, szczególnie dla kogoś, kto musi być monitorowany w sposób ciągły lub w trakcie wielu sesji. Proces zastosowania i ponownego zastosowania jest również nieprecyzyjny i może skutkować różnymi ilościami żelu stosowanymi na elektrodach.
„Zmieni to impedancję – lub interfejs – między elektrodami a skórę głowy i może wpływać na zarejestrowany sygnał mózgu” – powiedział Zhou. „Nie zawsze stosujemy również elektrody w tej samej pozycji, ponieważ jesteśmy ludźmi. Ale jeśli zmienisz pozycję, nawet trochę, monitorowane sygnały mózgu mogą być inne”.
Konwencjonalne elektrody EEG są również sztywne i mogą przesuwać się, gdy ktoś porusza głową, nawet nieznacznie, co może zagrozić jednolitości danych.
Aby zająć się tymi ograniczeniami, zespół badawczy zaprojektował małe urządzenie monitorujące, które wygląda jak pasmo włosów i jest wykonane z materiału hydrożelowego z nadrukiem 3D. Jeden koniec to elektroda. Wygląda jak mała kropka i przechwytuje sygnały elektryczne mózgu ze skóry głowy. Istnieje długi, cienki drutowy komponent, który rozciąga się od elektrody, który łączy się z systemem monitorowania.
Urządzenie wykorzystuje również bioadhezyjny atrament z nadrukiem 3D, który pozwala elektrodowi przykleić się bezpośrednio do skóry głowy bez potrzeby jakichkolwiek żeli Gloopy lub innego przygotowania skóry. To minimalizuje lukę między elektrodą a skórę głowy, poprawiając jakość sygnału. Lekka, elastyczna i rozciągająca natura urządzenia oznacza również, że urządzenie pozostaje na miejscu – nawet podczas czesania włosów, zakładania i usuwania czapki baseballowej – i może być noszone przez dłuższe okresy czasu, co czyni go odpowiednim do przewlekłego monitorowania.
Zespół stwierdził, że nowe urządzenie działało porównywalnie z złotymi elektrodami, obecne standardowe elektrody używane do EEG. Jednak elektroda lotnicza utrzymywała lepszy kontakt między elektrodą i skórą i niezawodnie wykonywała przez ponad 24 godziny ciągłego zużycia bez degradacji jakości sygnału. Ponieważ elektrody nie muszą być usuwane i wymieniane jak tradycyjne systemy monitorowania EEG, eliminują ryzyko niespójnych danych, nawet w różnych sesjach monitorowania.
„Nie musisz się martwić, czy położenie elektrody zmieniło się lub jeśli impedancja zmieniła się, ponieważ elektrody się nie poruszyły” – powiedział Zhou.
W przeciwieństwie do tradycyjnych metalowych elektrod, nowe elektrody naśladują ludzkie włosy i są niepozorne na głowie. Ponieważ urządzenie jest wydrukowane 3D, Zhou wyjaśnił, że mogą wydrukować elektrodę w różnych kolorach, aby pasować do włosów osoby.
„To sprawia, że jest to dyskretne, a ludzie mogą czuć się bardziej komfortowo, zwłaszcza jeśli wymagają ciągłego monitorowania EEG i muszą nosić elektrody przez dłuższy czas” – powiedział Zhou.
Obecnie EEG jest nadal podłączony; Pacjenci muszą być połączeni z maszyną podczas rejestrowania ich aktywności mózgu. W przyszłości naukowcy mają nadzieję, że system będą bezprzewodowe, aby ludzie mogli swobodniej poruszać się podczas sesji nagrywania.
Inni autorzy Penn State w artykule to główni autorzy Salahuddin Ahmed i Marzia Momin, obaj doktoranci z Departamentu Inżynierii i Mechaniki. Jiashu Ren, doktorant na Wydziale Inżynierii Nauk i Mechaników; Hyunjin Lee, doktorant na Wydziale Inżynierii Biomedycznej; Li-Pan Huang, asystent badawczy; A Basma Almahmood, student studiów licencjackich w Departamencie Fizyki, również przyczynił się do pracy.
Inni autorzy to Chi-Ching Kuo, Archana Pandiyan i Loganathan Veeramuthu z Wydziału Nauki i Inżynierii Molekularnej, National Taipei University of Technology.
Finansowanie z National Institutes of Health; Uniwersytety związane z dębem; National Taipei University of Technology-Penn State Collaborative Seed Grant; A Department of Engineering Science and Mechanics, Materials Research Institute i Huck Institutes of Life Sciences w Penn State poparły tę pracę.