導(dǎo) 語(yǔ)
近日，清華大學(xué)柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室馮雪教授課題組與醫(yī)學(xué)院高小榕教授課題組合作，開(kāi)發(fā)了一種基于視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的耳內(nèi)腦機(jī)接口（BCI），相關(guān)研究發(fā)表在《 Nature Communications 》期刊上。
1、研究背景
腦機(jī)接口被視為運(yùn)動(dòng)和語(yǔ)言能力恢復(fù)的重要手段之一。目前的腦機(jī)接口設(shè)式和非侵入式兩大類(lèi)：侵入式腦機(jī)接口需要把傳感器的電極直接植入大腦里面，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)更高分辨率、更深層的檢測(cè)，但開(kāi)顱手術(shù)不僅復(fù)雜而且存在感染、損傷大腦等風(fēng)險(xiǎn)。非侵入式腦機(jī)接口一般依賴(lài)于腦電圖（EGG），基于腦電帽等設(shè)備將電極貼在頭皮上檢測(cè)大腦信號(hào)，這種方法是無(wú)創(chuàng)的，但檢測(cè)分辨率低，且只能記錄大腦表層的信號(hào)。
近年來(lái)，耳內(nèi)式腦電圖監(jiān)測(cè)以其獨(dú)特的可穿戴性和離散性等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為如下兩點(diǎn)：
1、在無(wú)毛發(fā)區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需腦電膏的信號(hào)采集
2、非侵入式設(shè)備使開(kāi)發(fā)用于日常生活中使用的可穿戴神經(jīng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)電子設(shè)備成為可能。
在該研究中，研究人員提出了一種耳內(nèi)的柔性三維附壁攀爬神經(jīng)電子器件—Spiral E—，并開(kāi)展了基于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位和雞尾酒會(huì)效應(yīng)的視覺(jué)及聽(tīng)覺(jué)BCI研究。
2、研究概述
由于每個(gè)人的耳道形狀和大小不同，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)螺旋曲折，因此為了形成緊密的電極-組織界面，電子器件必須是可變形的和自適應(yīng)的。在本研究中，Spiral E以小螺旋的構(gòu)型深入外耳道，在電熱驅(qū)動(dòng)下膨脹并變形為預(yù)設(shè)大螺旋構(gòu)型，受到耳道內(nèi)壁的約束后自適應(yīng)地貼合于耳道內(nèi)表面，有效解決了設(shè)備的個(gè)性化設(shè)計(jì)問(wèn)題。
SpiralE的主要組件包括由電熱驅(qū)動(dòng)層（EAL）和EEG檢測(cè)層（EEGDL）嵌入的雙層形狀記憶聚合物（SMP）。3D螺旋狀態(tài)的外層由導(dǎo)電金線和絕緣聚酰亞胺（PI）組成。高模量的材料提供了足夠的支撐，減少了由運(yùn)動(dòng)偽影引起的EEG監(jiān)測(cè)的不穩(wěn)定性。同時(shí)，該設(shè)備以螺旋形狀支撐在耳道上完成耳內(nèi)EEG記錄，進(jìn)一步減少了設(shè)備與耳道的磨損和摩擦，提高舒適性與數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性。
Spiral E 示意圖、耳內(nèi)植入方式、材料選型及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖片來(lái)自論文）
隨后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)Spiral E 的疲勞特性及電阻抗特性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，Spiral E在承受400次10%拉伸應(yīng)變循環(huán)任務(wù)后，其機(jī)械特性及電化學(xué)特性均未發(fā)生顯著改變；Spiral E在初始平坦?fàn)顟B(tài)、永久重構(gòu)螺旋狀態(tài)、臨時(shí)螺旋狀態(tài)和恢復(fù)螺旋狀態(tài)下的阻抗差異不大，證實(shí)了SpiralE的電化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)基于Spiral E的螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即使在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中外界聲音也會(huì)實(shí)時(shí)無(wú)損地傳輸?shù)绞茉囌叩亩?，而基于耳機(jī)和耳塞的入耳式電子設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
Spiral E 的離體驗(yàn)證與性能表征（圖片來(lái)自論文）
在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)記錄alpha節(jié)律作為Spiral E評(píng)估的基準(zhǔn)。α節(jié)律是頻率范圍為8-13 Hz的內(nèi)源性振蕩，主要存在于放松閉眼狀態(tài)下的枕葉和頂葉，并與各種感知效應(yīng)有關(guān)。部分時(shí)間波形和受試者平均頻譜分析證實(shí)了靜息狀態(tài)腦電圖（rsEEG）中的強(qiáng)振蕩α功率。rsEEG的時(shí)間和光譜維度表明，SpiralE可以捕獲以~10 Hz為中心的清晰α振蕩。
基于 Spiral E 的受試者α節(jié)律記錄及視覺(jué)拼寫(xiě)實(shí)驗(yàn)（圖片來(lái)自論文）
基于采集到的α波數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)提出了由SSVEP-BCI和聽(tīng)覺(jué)BCI（組成的耳內(nèi)腦機(jī)接口范式。前者解碼顯性視覺(jué)注意力，后者解碼自然語(yǔ)音場(chǎng)景中的隱性聽(tīng)覺(jué)注意力。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在無(wú)標(biāo)定的40個(gè)目標(biāo)穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(SSVEP)在線拼寫(xiě)實(shí)驗(yàn)中，參與者在9個(gè)目標(biāo)的穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位、 BCI分類(lèi)和目標(biāo)短語(yǔ)的離線正確率達(dá)到95%，信息傳輸速率(ITR)達(dá)到36.86±15.53比特/分鐘，證明了基于SpiralE構(gòu)建高效腦機(jī)接口的潛力。在雞尾酒會(huì)實(shí)驗(yàn)中，自然語(yǔ)音聽(tīng)覺(jué)分類(lèi)準(zhǔn)確率可達(dá)84%。
基于SpiralE的雞尾酒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖片來(lái)自論文）
3、研究意義
通過(guò)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)腦機(jī)接口范例，研究人員證實(shí)了所提出的Spiral E可以實(shí)現(xiàn)可靠的腦電傳感，從而支持可穿戴和離散的腦機(jī)接口控制。該腦機(jī)接口消除現(xiàn)有笨重設(shè)備的限制，并有效促進(jìn)靈活可穿戴BCI系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，增強(qiáng)功能和用戶(hù)體驗(yàn)。因此可以展望所提出的基于螺旋的耳內(nèi)腦機(jī)接口可以幫助在現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)用戶(hù)友好的生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用的發(fā)展。
文章來(lái)源：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39814-6
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