生物醫(yī)用電極在腦機(jī)接口領(lǐng)域的材料的解決方案

冠隆醫(yī)療提供腦機(jī)接口生物電極采集配件及方案，提供濕電極、干電極和半干式電極等，廣泛應(yīng)用于科研、認(rèn)知和臨床等研究領(lǐng)域，產(chǎn)品具有阻抗低、穩(wěn)定、信噪比高和信號(hào)可靠的優(yōu)勢(shì)。

腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface, BCI）可以分為植入式（invasive）和非植入式（non-invasive），這兩種設(shè)計(jì)方式主要差異在于接口設(shè)備是否需要直接植入到用戶的大腦內(nèi)部。植入式腦機(jī)接口由于其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，因此較為突出，經(jīng)常成為討論的焦點(diǎn)，而非植入式腦機(jī)接口雖然應(yīng)用廣泛，但由于其性能上的一些限制，通常不會(huì)被特別強(qiáng)調(diào)。

植入式腦機(jī)接口主要依賴于電極來(lái)收集和發(fā)送信號(hào)。這些電極可以使用不同材料，這些材料可以被分為兩大類：金屬材料和非金屬材料。

一. 腦機(jī)接口核心環(huán)節(jié)

腦機(jī)接口硬件層包括腦電采集設(shè)備和外控設(shè)備；軟件層包括生物信號(hào)分析、處理算法、操作系統(tǒng)及分析軟件等。

1.1 腦電采集

根據(jù)腦電的采集方式，腦機(jī)接口可以分為植入式和非植入式。

（1）植入式腦機(jī)接口技術(shù)主要應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，最有可能率先落地的是神經(jīng)替代、神經(jīng)調(diào)控相關(guān)產(chǎn)品。

（2）非植入式腦機(jī)接口采用頭皮上貼附電極的方式，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括簡(jiǎn)單易行、安全無(wú)創(chuàng)、成本低廉等。

非植入式腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用更廣泛，包括康復(fù)訓(xùn)練、教育娛樂(lè)、智能生活、生產(chǎn)制造等方面。

1.2 BCI芯片

BCI芯片涵蓋模擬、數(shù)字、通信多種功能，主要實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的預(yù)處理（放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼等）、信號(hào)通信等環(huán)節(jié)。

但由于目前業(yè)界對(duì)腦信號(hào)的模擬和寫入了解非有限，目前的腦機(jī)接口活動(dòng)尚未實(shí)現(xiàn)完全閉環(huán)。

二、生物電極：金屬電極材料

對(duì)于金屬電極，通常使用的材料有：

2.1 鉭 (Ta): 鉭具有優(yōu)秀的耐腐蝕性和抗氧化性，這使得它在人體中能夠長(zhǎng)期存在而不會(huì)被生物體液所破壞。其優(yōu)點(diǎn)是其硬度較大，能在手術(shù)植入過(guò)程中保持形狀的穩(wěn)定。

2.2 鉑 (Pt)和鉑黑 (Pt-black): 這種金屬具有高度的生物相容性和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，可以有效降低電極的電阻，提高信號(hào)傳輸效率。其優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)穩(wěn)定，耐磨損，但缺點(diǎn)是價(jià)格較高。

2.3 銅：銅具有極佳的導(dǎo)電性能。根據(jù)電阻率的定義，電阻率越低的材料導(dǎo)電性能越好。銅的電阻率為1.68×10^-8Ω·m，僅次于銀。其優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)穩(wěn)定，耐磨損、價(jià)格底，缺點(diǎn)是需要做銀鍍氯化銀處理。

三、非金屬材料

非金屬電極使用的材料包括：

1.導(dǎo)電聚合物: 如聚吡咯 (Polypyrrole) 和聚3,4-乙烯二氨基苯酚 (PEDOT)，它們和生物組織的電阻匹配程度較好，能夠減小電極與細(xì)胞之間的信號(hào)損失。另外，這些聚合物具有良好的生物相容性和生物活性，可以用于電極與神經(jīng)細(xì)胞的界面。

2.碳基材料: 如碳納米管和石墨烯，這些材料具有極低的阻抗和高度的靈敏度，可以提供更高的信號(hào)質(zhì)量。

四、如何選擇材料

在對(duì)人體的兼容性方面，金屬和非金屬材料雖然都可以作為電極的材料，但是在植入過(guò)程中可能會(huì)引起的反應(yīng)以及在體內(nèi)逗留時(shí)間的長(zhǎng)短上會(huì)有所不同。

金屬材料通常較硬，如果植入位置不當(dāng)或者植入過(guò)程中存在問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致傷害。

而非金屬材料通常更柔軟，可以減小對(duì)組織的沖擊，但可能會(huì)由于生物降解等原因在體內(nèi)的保持時(shí)間較短。

因此，具體的選擇需要根據(jù)具體的使用需求和植入的位置等因素進(jìn)行綜合考慮。

植入式腦機(jī)接口依賴電極來(lái)與大腦交流的主要原因是因?yàn)槿四X的主要工作機(jī)制是通過(guò)電信號(hào)來(lái)進(jìn)行。人腦中的神經(jīng)元可以通過(guò)產(chǎn)生和傳播電脈沖（稱為動(dòng)作電位）來(lái)進(jìn)行信息處理和傳遞。

因此，為了從大腦中讀取信息或向大腦發(fā)送信息，我們需要一種工具能夠偵測(cè)或產(chǎn)生這些電脈沖，也即電極。

當(dāng)我們談?wù)撃X機(jī)接口向人大腦的輸出和輸入信號(hào)時(shí)，我們指的是兩個(gè)主要過(guò)程：記錄和刺激。記錄是獲取大腦電活動(dòng)的過(guò)程，而刺激是向大腦發(fā)送電信號(hào)的過(guò)程。

五、腦機(jī)接口的發(fā)展

未來(lái)腦機(jī)接口的發(fā)展可能會(huì)包括利用光遺傳學(xué)技術(shù)的刺激和記錄。

這種技術(shù)利用某些感光蛋白質(zhì)來(lái)對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行遺傳改造。這些蛋白質(zhì)可以使神經(jīng)元在特定波長(zhǎng)的光照射下發(fā)生活動(dòng)。這樣就可以通過(guò)光源來(lái)遠(yuǎn)程控制或讀取神經(jīng)元的活動(dòng)，而無(wú)需依賴電極的物理接觸。光遺傳學(xué)可以精確地在空間和時(shí)間上控制神經(jīng)元的活動(dòng)，從而達(dá)到更高的精度。

另一種可能的技術(shù)是使用磁刺激。一種被稱為經(jīng)顱磁刺激（TMS）的技術(shù)早在1990年代就已經(jīng)研發(fā)出來(lái)，并且已經(jīng)在臨床上得到廣泛應(yīng)用，主要用于精神疾病的治療。這種技術(shù)通過(guò)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)誘發(fā)大腦中的電活動(dòng)，從而刺激神經(jīng)元。

雖然這些技術(shù)在理論上有很大的潛力，但是都還有很多技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決。例如，光遺傳學(xué)技術(shù)在將遺傳信息傳遞給神經(jīng)元的過(guò)程中可能會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)，而磁刺激則可能會(huì)影響到本不需要被刺激的神經(jīng)元，導(dǎo)致副作用。

而且這些技術(shù)目前在記錄大腦活動(dòng)方面的效果還不如電極。然而，隨著科技的進(jìn)步，未來(lái)這些問(wèn)題可能會(huì)得到解決。

使用生物材料制作植入式腦機(jī)接口和電極是一個(gè)發(fā)展方向。

六、生物電極材料優(yōu)點(diǎn)

1.生物相容性： 因?yàn)檫@些材料源于生物體，所以在與組織接觸時(shí)，可能會(huì)減少排斥反應(yīng)或不良反應(yīng)。

2.柔性：生物材料可能更具有彈性和柔韌性，能夠更好地與腦組織的形狀和變化相適應(yīng)，減少對(duì)腦組織的損傷和刺激。

3.可降解性：一些生物材料可能是可降解的，可以在體內(nèi)完成定期任務(wù)后逐漸降解，減少在體內(nèi)留存時(shí)間，減少短期或長(zhǎng)期的不良反應(yīng)。

七、生物電極在腦機(jī)接口領(lǐng)域的挑戰(zhàn)

然而，目前使用生物材料制作腦機(jī)接口和電極仍面臨許多挑戰(zhàn)，需要在很多領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)突破：

1.生物材料的穩(wěn)定性和耐用性：雖然生物材料具備良好的生物相容性，但往往在穩(wěn)定性和耐用性方面不如金屬或其他非生物材料。需要研究如何提高其穩(wěn)定性，以保證其在體內(nèi)的持久性和信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

2.電導(dǎo)性：像金屬這樣的傳統(tǒng)電極材料具有很好的電導(dǎo)性，而生物材料的電導(dǎo)性可能較差。因此，需要找到或者改造出電導(dǎo)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的生物材料。

3.生物材料的加工和制造：生物材料的加工和制造難度大，需要精確的生物技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)。探索更有效的生物材料加工和制造技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)生物電極的重要一步。

因此，盡管目前使用生物材料制作腦機(jī)接口和電極還面臨許多挑戰(zhàn)，但隨著科技的進(jìn)步，特別是在生物工程、材料科學(xué)以及微納加工技術(shù)方面的進(jìn)步，未來(lái)可望會(huì)有更多采用生物材料的腦機(jī)接口和電極。

未來(lái)植入式腦機(jī)接口電極可能會(huì)綜合上述所有技術(shù)，通過(guò)高度集成一體化來(lái)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的功能性能和生物相容性。

但是這需要復(fù)雜的技術(shù)交叉融合，包括生物工程、材料科學(xué)、微納加工、電子技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域的深度合作和協(xié)同創(chuàng)新。

八、植入式腦機(jī)接口

對(duì)于人腦信號(hào)的輸入、輸出以及調(diào)制解調(diào)，高度集成一體化的植入式腦機(jī)接口有以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：

1.更高的精度：通過(guò)集成不同類型電極和傳感元件，可以實(shí)現(xiàn)從不同角度、不同層面對(duì)腦信號(hào)的精確捕捉和刺激，提高接口的分辨率和精度。

2.更好的適應(yīng)性：通過(guò)使用生物材料和導(dǎo)電聚合物等，可以提供更優(yōu)秀的生物相容性和機(jī)械匹配性，減少對(duì)腦組織的傷害，一體化設(shè)計(jì)也可能使得設(shè)備更加耐用和穩(wěn)定。

3.更高效的信號(hào)處理：通過(guò)集成先進(jìn)的信號(hào)處理算法，可以實(shí)現(xiàn)更為高效和快速的信號(hào)調(diào)制解調(diào)，提升接口反應(yīng)速度，降低信息丟失。

4.動(dòng)態(tài)適應(yīng)性：通過(guò)集成智能學(xué)習(xí)算法，如深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等，腦機(jī)接口可以提升動(dòng)態(tài)適應(yīng)環(huán)境的能力，以往對(duì)人腦訓(xùn)練的需求可能會(huì)大大降低。

九、非植入式腦機(jī)接口

優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：

1.安全性：不需要進(jìn)行手術(shù)，避免了與手術(shù)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.便攜性：部分非植入式設(shè)備如EEG帽設(shè)計(jì)得較為輕便，便于攜帶和使用。

3.低成本：與植入式手術(shù)和維護(hù)相比，非植入式的成本較低。

4.更適于廣泛應(yīng)用：由于其無(wú)創(chuàng)特性，適合大規(guī)模的商業(yè)和消費(fèi)級(jí)應(yīng)用。

應(yīng)用領(lǐng)域：

1.娛樂(lè)和游戲：通過(guò)讀取玩家的腦波信號(hào)來(lái)控制游戲。

2.日常生活輔助：如幫助專注訓(xùn)練、放松練習(xí)等。

3.初級(jí)假肢和機(jī)器人控制：雖然精度不如植入式，但可以滿足某些基本的控制需求。

4.初步神經(jīng)疾病的輔助治療：如ADHD訓(xùn)練、神經(jīng)反饋治療等。

要明確的是，盡管植入式腦機(jī)接口可以幫助改善大腦的功能或?yàn)榇竽X提供一種新的感應(yīng)或輸出方式，但這并不會(huì)改變個(gè)體的遺傳物質(zhì)。

大腦適應(yīng)腦機(jī)接口的能力是一個(gè)涉及神經(jīng)可塑性的過(guò)程，而不是基因變化的過(guò)程。因此，成年人使用植入式腦機(jī)接口后，他們的孩子并不會(huì)遺傳這些"適應(yīng)腦機(jī)接口的大腦特征"。

總之，未來(lái)腦機(jī)接口的發(fā)展將涉及多種材料、技術(shù)和合作的綜合應(yīng)用。通過(guò)解決技術(shù)挑戰(zhàn)、推動(dòng)生物電極的進(jìn)步并通過(guò)整合各領(lǐng)域的知識(shí)，有望實(shí)現(xiàn)更精確、適應(yīng)性更強(qiáng)、效果更好的植入式腦機(jī)接口，為神經(jīng)科學(xué)研究和治療領(lǐng)域帶來(lái)巨大的潛力和機(jī)遇。