版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們

你是否想過，只需要佩戴一款小型設(shè)備就可以輕松地追蹤你的大腦活動，甚至進(jìn)一步設(shè)置智能化的人機(jī)交互場景呢？這其實(shí)并不遙遠(yuǎn)，近年來大腦-計算機(jī)接口（腦機(jī)接口，Brain-computer interfaces，BCI）在運(yùn)動和語言康復(fù)領(lǐng)域顯示出巨大的臨床潛力，這也推動了實(shí)現(xiàn)高效、自然、智能的人機(jī)交互的創(chuàng)新方法的發(fā)展。傳統(tǒng)的大多數(shù)腦機(jī)接口多為基于帽子的非侵入性式、基于頭帶的商業(yè)產(chǎn)品或基于微針的侵入性方法，但由于使用不便、炎癥甚至是對人體組織的不可逆損傷，這些方法都并不適合日常使用。

近年來，植入在耳朵的腦機(jī)接口因其易于佩戴、損傷小以及可以進(jìn)行非侵入性腦電圖（EEG）信號采集等多重優(yōu)勢而受到越來越多的關(guān)注。由于耳道的幾何復(fù)雜性，為了形成緊密的電極-組織界面，電子器件必須具有可變形性和適應(yīng)性。硬質(zhì)的、不可變形的電子器件不能沿著崎嶇的耳道隨形地變形從而導(dǎo)致電極和內(nèi)耳的接觸差，但軟質(zhì)的、可變形的電子器件又會因?yàn)椴迦牒腿〕鲞^程中與敏感耳道的強(qiáng)烈摩擦導(dǎo)致組織損傷。

于是，一種可以革命性改變這一領(lǐng)域的策略應(yīng)運(yùn)而生——SpiralE。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，在《Nature Communications》期刊上在線發(fā)表了題為“用于視覺和聽覺腦機(jī)接口的入耳式共形生物電子器件”（Conformal in-ear bioelectronics for visual and auditory brain-computer interfaces）的研究成果。該研究探索了一個全新的非入侵性腦機(jī)接口設(shè)備，即以耳道為載體的SpiralE。

智能高適應(yīng)：耳內(nèi)生物電子學(xué)

SpiralE是一款獨(dú)特的視覺和聽覺腦機(jī)接口設(shè)備，它利用了一種名為形狀記憶聚合物（SMPs）的特殊材料制成。SpiralE基于耳內(nèi)生物電子學(xué)，并能通過電熱驅(qū)動自主擴(kuò)展，通過精巧的設(shè)計和高超的制作工藝，SpiralE能夠根據(jù)耳道的形狀進(jìn)行靈活的螺旋式形變和塑形，使其能夠在保證舒適度的前提下確保與周圍耳道環(huán)境的貼合，從而大大提高大腦生物電信號的采集質(zhì)量和精度。并且SpiralE可以在承受10% 拉伸應(yīng)變400次循環(huán)的過程中始終保持其最佳的電阻抗，表現(xiàn)出高可靠性和電化學(xué)穩(wěn)定性。這讓SpiralE成為了一款便攜，安全，同時也可以提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)的腦機(jī)接口設(shè)備。

強(qiáng)大高效：精準(zhǔn)分類和準(zhǔn)確識別

SpiralE在實(shí)際應(yīng)用中的效果如何呢？研究者進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果令人驚訝。在9目標(biāo)穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）分類任務(wù)中，實(shí)驗(yàn)參與者利用SpiralE達(dá)到了高達(dá)95%的離線準(zhǔn)確率。同時，在沒有預(yù)定校準(zhǔn)的40目標(biāo)在線穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位鍵入實(shí)驗(yàn)中也成功鍵入了目標(biāo)短語。這些成果足以證明SpiralE的準(zhǔn)確性和可靠性。

此外，SpiralE還在自然語言聽覺分類中有著顯著表現(xiàn)。在模擬“雞尾酒會”環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)中，SpiralE的識別準(zhǔn)確率達(dá)到了84%，足以見證其強(qiáng)大的聽覺分類能力。

臨床價值

SpiralE的問世是腦機(jī)接口領(lǐng)域的巨大突破。首先對于運(yùn)動和語言康復(fù)領(lǐng)域的患者，準(zhǔn)確且高效的監(jiān)測大腦活動對于追蹤康復(fù)進(jìn)程、制定個性化康復(fù)計劃具有重要意義。其次也有望推動新的治療方式的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。例如，對大腦疾病的早期診斷，如癲癇，阿爾茨海默病等，都需依賴對大腦活動精確的監(jiān)測。最后SpiralE的出現(xiàn)，也為設(shè)計和制造三維柔性生物電子產(chǎn)品提供了全新的可能。隨著這一領(lǐng)域的發(fā)展，我們有望看到越來越多使用耳內(nèi)傳感器監(jiān)測和操控大腦活動的醫(yī)療設(shè)備問世，這將極大提高生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)監(jiān)測的療效和科研效率?？偟膩碚f，SpiralE為腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用帶來了重要的改觀，使其成為未來醫(yī)療領(lǐng)域一個值得期待的新型治療工具。

商業(yè)價值

1、首先，SpiralE提供了一種新型的便攜式、非侵入性BCI設(shè)備，其便攜性和非侵入性使得SpiralE比傳統(tǒng)的腦機(jī)接口設(shè)備更具使用上的便利性和可接受性，使其應(yīng)用范圍更為廣泛；2、其次，SpiralE的高精度和強(qiáng)大的自然語言聽覺識別能力使其在需要精確監(jiān)測和識別大腦活動的商業(yè)應(yīng)用中有巨大的潛力，例如在康復(fù)訓(xùn)練、虛擬現(xiàn)實(shí)、娛樂游戲和人工智能等領(lǐng)域。3、另外，SpiralE的技術(shù)特性提供了一種新的生物電子產(chǎn)品設(shè)計概念，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)提供了新的方向和可能性，具有極大的開發(fā)商業(yè)價值。參考文獻(xiàn)：

[1] Wang Z, Shi N, Zhang Y, Zheng N, Li H, Jiao Y, Cheng J, Wang Y, Zhang X, Chen Y, Chen Y, Wang H, Xie T, Wang Y, Ma Y, Gao X, Feng X. Conformal in-ear bioelectronics for visual and auditory brain-computer interfaces. Nat Commun. 2023 Jul 14;14(1):4213. doi: 10.1038/s41467-023-39814-6. PMID: 37452047; PMCID: PMC10349124.

歡迎掃碼關(guān)注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的科普活動和科普好物！