生物医用电极在脑机接口领域的材料的解决方案

生物医用电极在脑机接口领域的材料的解决方案

冠隆医疗提供脑机接口生物电极采集配件及方案，提供湿电极、干电极和半干式电极等，广泛应用于科研、认知和临床等研究领域，产品具有阻抗低、稳定、信噪比高和信号可靠的优势。

脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）可以分为植入式（invasive）和非植入式（non-invasive），这两种设计方式主要差异在于接口设备是否需要直接植入到用户的大脑内部。植入式脑机接口由于其独有的优势和挑战，因此较为突出，经常成为讨论的焦点，而非植入式脑机接口虽然应用广泛，但由于其性能上的一些限制，通常不会被特别强调。

植入式脑机接口主要依赖于电极来收集和发送信号。这些电极可以使用不同材料，这些材料可以被分为两大类：金属材料和非金属材料。

一. 脑机接口核心环节

脑机接口硬件层包括脑电采集设备和外控设备；软件层包括生物信号分析、处理算法、操作系统及分析软件等。

1.1 脑电采集

根据脑电的采集方式，脑机接口可以分为植入式和非植入式。

（1）植入式脑机接口技术主要应用在医疗领域，最有可能率先落地的是神经替代、神经调控相关产品。

（2）非植入式脑机接口采用头皮上贴附电极的方式，该技术的优点包括简单易行、安全无创、成本低廉等。

非植入式脑机接口技术应用更广泛，包括康复训练、教育娱乐、智能生活、生产制造等方面。

1.2 BCI芯片

BCI芯片涵盖模拟、数字、通信多种功能，主要实现脑电信号的预处理（放大、滤波、模数转换、编码等）、信号通信等环节。

但由于目前业界对脑信号的模拟和写入了解非有限，目前的脑机接口活动尚未实现完全闭环。

二、生物电极：金属电极材料

对于金属电极，通常使用的材料有：

2.1 钽 (Ta): 钽具有优秀的耐腐蚀性和抗氧化性，这使得它在人体中能够长期存在而不会被生物体液所破坏。其优点是其硬度较大，能在手术植入过程中保持形状的稳定。

2.2 铂 (Pt)和铂黑 (Pt-black): 这种金属具有高度的生物相容性和良好的电化学稳定性，可以有效降低电极的电阻，提高信号传输效率。其优点是信号稳定，耐磨损，但缺点是价格较高。

2.3 铜：铜具有极佳的导电性能。根据电阻率的定义，电阻率越低的材料导电性能越好。铜的电阻率为1.68×10^-8Ω·m，仅次于银。其优点是信号稳定，耐磨损、价格底，缺点是需要做银镀氯化银处理。

三、非金属材料

非金属电极使用的材料包括：

1.导电聚合物: 如聚吡咯 (Polypyrrole) 和聚3,4-乙烯二氨基苯酚 (PEDOT)，它们和生物组织的电阻匹配程度较好，能够减小电极与细胞之间的信号损失。另外，这些聚合物具有良好的生物相容性和生物活性，可以用于电极与神经细胞的界面。

2.碳基材料: 如碳纳米管和石墨烯，这些材料具有极低的阻抗和高度的灵敏度，可以提供更高的信号质量。

四、如何选择材料

在对人体的兼容性方面，金属和非金属材料虽然都可以作为电极的材料，但是在植入过程中可能会引起的反应以及在体内逗留时间的长短上会有所不同。

金属材料通常较硬，如果植入位置不当或者植入过程中存在问题，可能会导致伤害。

而非金属材料通常更柔软，可以减小对组织的冲击，但可能会由于生物降解等原因在体内的保持时间较短。

因此，具体的选择需要根据具体的使用需求和植入的位置等因素进行综合考虑。

植入式脑机接口依赖电极来与大脑交流的主要原因是因为人脑的主要工作机制是通过电信号来进行。人脑中的神经元可以通过产生和传播电脉冲（称为动作电位）来进行信息处理和传递。

因此，为了从大脑中读取信息或向大脑发送信息，我们需要一种工具能够侦测或产生这些电脉冲，也即电极。

当我们谈论脑机接口向人大脑的输出和输入信号时，我们指的是两个主要过程：记录和刺激。记录是获取大脑电活动的过程，而刺激是向大脑发送电信号的过程。

五、脑机接口的发展

未来脑机接口的发展可能会包括利用光遗传学技术的刺激和记录。

这种技术利用某些感光蛋白质来对神经元进行遗传改造。这些蛋白质可以使神经元在特定波长的光照射下发生活动。这样就可以通过光源来远程控制或读取神经元的活动，而无需依赖电极的物理接触。光遗传学可以精确地在空间和时间上控制神经元的活动，从而达到更高的精度。

另一种可能的技术是使用磁刺激。一种被称为经颅磁刺激（TMS）的技术早在1990年代就已经研发出来，并且已经在临床上得到广泛应用，主要用于精神疾病的治疗。这种技术通过产生强磁场来诱发大脑中的电活动，从而刺激神经元。

虽然这些技术在理论上有很大的潜力，但是都还有很多技术挑战需要解决。例如，光遗传学技术在将遗传信息传递给神经元的过程中可能会引发免疫反应，而磁刺激则可能会影响到本不需要被刺激的神经元，导致副作用。

而且这些技术目前在记录大脑活动方面的效果还不如电极。然而，随着科技的进步，未来这些问题可能会得到解决。

使用生物材料制作植入式脑机接口和电极是一个发展方向。

六、生物电极材料优点

1.生物相容性： 因为这些材料源于生物体，所以在与组织接触时，可能会减少排斥反应或不良反应。

2.柔性：生物材料可能更具有弹性和柔韧性，能够更好地与脑组织的形状和变化相适应，减少对脑组织的损伤和刺激。

3.可降解性：一些生物材料可能是可降解的，可以在体内完成定期任务后逐渐降解，减少在体内留存时间，减少短期或长期的不良反应。

七、生物电极在脑机接口领域的挑战

然而，目前使用生物材料制作脑机接口和电极仍面临许多挑战，需要在很多领域进行技术突破：

1.生物材料的稳定性和耐用性：虽然生物材料具备良好的生物相容性，但往往在稳定性和耐用性方面不如金属或其他非生物材料。需要研究如何提高其稳定性，以保证其在体内的持久性和信号传输的准确性。

2.电导性：像金属这样的传统电极材料具有很好的电导性，而生物材料的电导性可能较差。因此，需要找到或者改造出电导性强、抗干扰能力强的生物材料。

3.生物材料的加工和制造：生物材料的加工和制造难度大，需要精确的生物技术和材料科学技术。探索更有效的生物材料加工和制造技术，是实现生物电极的重要一步。

因此，尽管目前使用生物材料制作脑机接口和电极还面临许多挑战，但随着科技的进步，特别是在生物工程、材料科学以及微纳加工技术方面的进步，未来可望会有更多采用生物材料的脑机接口和电极。

未来植入式脑机接口电极可能会综合上述所有技术，通过高度集成一体化来实现更优的功能性能和生物相容性。

但是这需要复杂的技术交叉融合，包括生物工程、材料科学、微纳加工、电子技术、机器学习等多个领域的深度合作和协同创新。

八、植入式脑机接口

对于人脑信号的输入、输出以及调制解调，高度集成一体化的植入式脑机接口有以下优势和特点：

1.更高的精度：通过集成不同类型电极和传感元件，可以实现从不同角度、不同层面对脑信号的精确捕捉和刺激，提高接口的分辨率和精度。

2.更好的适应性：通过使用生物材料和导电聚合物等，可以提供更优秀的生物相容性和机械匹配性，减少对脑组织的伤害，一体化设计也可能使得设备更加耐用和稳定。

3.更高效的信号处理：通过集成先进的信号处理算法，可以实现更为高效和快速的信号调制解调，提升接口反应速度，降低信息丢失。

4.动态适应性：通过集成智能学习算法，如深度学习、强化学习等，脑机接口可以提升动态适应环境的能力，以往对人脑训练的需求可能会大大降低。

九、非植入式脑机接口

优势和特点：

1.安全性：不需要进行手术，避免了与手术相关的风险。

2.便携性：部分非植入式设备如EEG帽设计得较为轻便，便于携带和使用。

3.低成本：与植入式手术和维护相比，非植入式的成本较低。

4.更适于广泛应用：由于其无创特性，适合大规模的商业和消费级应用。

应用领域：

1.娱乐和游戏：通过读取玩家的脑波信号来控制游戏。

2.日常生活辅助：如帮助专注训练、放松练习等。

3.初级假肢和机器人控制：虽然精度不如植入式，但可以满足某些基本的控制需求。

4.初步神经疾病的辅助治疗：如ADHD训练、神经反馈治疗等。

要明确的是，尽管植入式脑机接口可以帮助改善大脑的功能或为大脑提供一种新的感应或输出方式，但这并不会改变个体的遗传物质。

大脑适应脑机接口的能力是一个涉及神经可塑性的过程，而不是基因变化的过程。因此，成年人使用植入式脑机接口后，他们的孩子并不会遗传这些"适应脑机接口的大脑特征"。

总之，未来脑机接口的发展将涉及多种材料、技术和合作的综合应用。通过解决技术挑战、推动生物电极的进步并通过整合各领域的知识，有望实现更精确、适应性更强、效果更好的植入式脑机接口，为神经科学研究和治疗领域带来巨大的潜力和机遇。