生物醫(yī)用電極在腦機接口領域的材料的解決方案

冠隆醫(yī)療提供腦機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，廣泛應用于科研、認知和臨床等研究領域，產品具有阻抗低、穩(wěn)定、信噪比高和信號可靠的優(yōu)勢。

腦機接口（Brain-Computer Interface, BCI）可以分為植入式（invasive）和非植入式（non-invasive），這兩種設計方式主要差異在于接口設備是否需要直接植入到用戶的大腦內部。植入式腦機接口由于其獨有的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，因此較為突出，經(jīng)常成為討論的焦點，而非植入式腦機接口雖然應用廣泛，但由于其性能上的一些限制，通常不會被特別強調。

植入式腦機接口主要依賴于電極來收集和發(fā)送信號。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. 腦機接口核心環(huán)節(jié)

腦機接口硬件層包括腦電采集設備和外控設備；軟件層包括生物信號分析、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，腦機接口可以分為植入式和非植入式。

（1）植入式腦機接口技術主要應用在醫(yī)療領域，最有可能率先落地的是神經(jīng)替代、神經(jīng)調控相關產品。

（2）非植入式腦機接口采用頭皮上貼附電極的方式，該技術的優(yōu)點包括簡單易行、安全無創(chuàng)、成本低廉等。

非植入式腦機接口技術應用更廣泛，包括康復訓練、教育娛樂、智能生活、生產制造等方面。

1.2 BCI芯片

BCI芯片涵蓋模擬、數(shù)字、通信多種功能，主要實現(xiàn)腦電信號的預處理（放大、濾波、模數(shù)轉換、編碼等）、信號通信等環(huán)節(jié)。

但由于目前業(yè)界對腦信號的模擬和寫入了解非有限，目前的腦機接口活動尚未實現(xiàn)完全閉環(huán)。

二、生物電極：金屬電極材料

對于金屬電極，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期存在而不會被生物體液所破壞。其優(yōu)點是其硬度較大，能在手術植入過程中保持形狀的穩(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穩(wěn)定性，可以有效降低電極的電阻，提高信號傳輸效率。其優(yōu)點是信號穩(wěn)定，耐磨損，但缺點是價格較高。

2.3 銅：銅具有極佳的導電性能。根據(jù)電阻率的定義，電阻率越低的材料導電性能越好。銅的電阻率為1.68×10^-8Ω·m，僅次于銀。其優(yōu)點是信號穩(wěn)定，耐磨損、價格底，缺點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，能夠減小電極與細胞之間的信號損失。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質量。

四、如何選擇材料

在對人體的兼容性方面，金屬和非金屬材料雖然都可以作為電極的材料，但是在植入過程中可能會引起的反應以及在體內逗留時間的長短上會有所不同。

金屬材料通常較硬，如果植入位置不當或者植入過程中存在問題，可能會導致傷害。

而非金屬材料通常更柔軟，可以減小對組織的沖擊，但可能會由于生物降解等原因在體內的保持時間較短。

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行綜合考慮。

植入式腦機接口依賴電極來與大腦交流的主要原因是因為人腦的主要工作機制是通過電信號來進行。人腦中的神經(jīng)元可以通過產生和傳播電脈沖（稱為動作電位）來進行信息處理和傳遞。

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或產生這些電脈沖，也即電極。

當我們談論腦機接口向人大腦的輸出和輸入信號時，我們指的是兩個主要過程：記錄和刺激。記錄是獲取大腦電活動的過程，而刺激是向大腦發(fā)送電信號的過程。

五、腦機接口的發(fā)展

未來腦機接口的發(fā)展可能會包括利用光遺傳學技術的刺激和記錄。

這種技術利用某些感光蛋白質來對神經(jīng)元進行遺傳改造。這些蛋白質可以使神經(jīng)元在特定波長的光照射下發(fā)生活動。這樣就可以通過光源來遠程控制或讀取神經(jīng)元的活動，而無需依賴電極的物理接觸。光遺傳學可以精確地在空間和時間上控制神經(jīng)元的活動，從而達到更高的精度。

另一種可能的技術是使用磁刺激。一種被稱為經(jīng)顱磁刺激（TMS）的技術早在1990年代就已經(jīng)研發(fā)出來，并且已經(jīng)在臨床上得到廣泛應用，主要用于精神疾病的治療。這種技術通過產生強磁場來誘發(fā)大腦中的電活動，從而刺激神經(jīng)元。

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

而且這些技術目前在記錄大腦活動方面的效果還不如電極。然而，隨著科技的進步，未來這些問題可能會得到解決。

使用生物材料制作植入式腦機接口和電極是一個發(fā)展方向。

六、生物電極材料優(yōu)點

1.生物相容性： 因為這些材料源于生物體，所以在與組織接觸時，可能會減少排斥反應或不良反應。

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，減少對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，可以在體內完成定期任務后逐漸降解，減少在體內留存時間，減少短期或長期的不良反應。

七、生物電極在腦機接口領域的挑戰(zhàn)

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

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，以保證其在體內的持久性和信號傳輸?shù)臏蚀_性。

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

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和材料科學技術。探索更有效的生物材料加工和制造技術，是實現(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接口和電極還面臨許多挑戰(zhàn)，但隨著科技的進步，特別是在生物工程、材料科學以及微納加工技術方面的進步，未來可望會有更多采用生物材料的腦機接口和電極。

未來植入式腦機接口電極可能會綜合上述所有技術，通過高度集成一體化來實現(xiàn)更優(yōu)的功能性能和生物相容性。

但是這需要復雜的技術交叉融合，包括生物工程、材料科學、微納加工、電子技術、機器學習等多個領域的深度合作和協(xié)同創(chuàng)新。

八、植入式腦機接口

對于人腦信號的輸入、輸出以及調制解調，高度集成一體化的植入式腦機接口有以下優(yōu)勢和特點：

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

2.更好的適應性：通過使用生物材料和導電聚合物等，可以提供更優(yōu)秀的生物相容性和機械匹配性，減少對腦組織的傷害，一體化設計也可能使得設備更加耐用和穩(wěn)定。

3.更高效的信號處理：通過集成先進的信號處理算法，可以實現(xiàn)更為高效和快速的信號調制解調，提升接口反應速度，降低信息丟失。

4.動態(tài)適應性：通過集成智能學習算法，如深度學習、強化學習等，腦機接口可以提升動態(tài)適應環(huán)境的能力，以往對人腦訓練的需求可能會大大降低。

九、非植入式腦機接口

優(yōu)勢和特點：

1.安全性：不需要進行手術，避免了與手術相關的風險。

2.便攜性：部分非植入式設備如EEG帽設計得較為輕便，便于攜帶和使用。

3.低成本：與植入式手術和維護相比，非植入式的成本較低。

4.更適于廣泛應用：由于其無創(chuàng)特性，適合大規(guī)模的商業(yè)和消費級應用。

應用領域：

1.娛樂和游戲：通過讀取玩家的腦波信號來控制游戲。

2.日常生活輔助：如幫助專注訓練、放松練習等。

3.初級假肢和機器人控制：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訓練、神經(jīng)反饋治療等。

要明確的是，盡管植入式腦機接口可以幫助改善大腦的功能或為大腦提供一種新的感應或輸出方式，但這并不會改變個體的遺傳物質。

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

總之，未來腦機接口的發(fā)展將涉及多種材料、技術和合作的綜合應用。通過解決技術挑戰(zhàn)、推動生物電極的進步并通過整合各領域的知識，有望實現(xiàn)更精確、適應性更強、效果更好的植入式腦機接口，為神經(jīng)科學研究和治療領域帶來巨大的潛力和機遇。