比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

 2周前     42  
比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

文章目录

脑机接口作为人体大脑与外部设备之间建立信息通道,融合生物智能与机器智能的关键性技术,被公认为是*代表性的新质生产力之一。

随着工信部和科技部在2024年初推出的一系列发展实施建议和研究伦理指引下,中国在脑科学领域的深厚研究积累于近年内集中爆发,毋庸置疑的代表了全球脑机接口科研及产业化的*水平。

现阶段,如何更加安全、更加持久的获得更高质量的脑电信号,指引着脑机接口从软件到硬件的上下游全链条技术开发方向。电极,作为信号采集和刺激调控的前端,是脑机接口赛道的关键性基础工具。

在这场差距还未拉开的竞赛中,谁率先在电极性能上取得突破,谁就能占据*位置并掌握行业话语权。

与脑机接口是否浸入的区分方式一致,根据植入位置的不同,电极通常也被分为非植入式电极和植入式电极。

#01

非植入式电极

非植入式电极贴合于头皮表面,对头皮脑电EEG进行记录和分析,通过对应的信号处理算法得到信号输出,实现对外部设备的控制。其优点在于无需进行手术即可采集信号,安全性高。缺点方面,由于头皮及人体毛发对电极的影响,EEG的获取信噪比低、分辨率低、信号采集频率范围小。

非植入式电极的主要突破口,在于如何显著提高电极的信号采集质量。一方面为改进材料以提升导电率,另一方面为改进结构以促进电极与皮肤充分接触。

1、材料改进而逐步提升的导电率

国内方面,2023年浙江大学台州研究院医疗器械与先进材料重点实验室研发构筑了一种新型的纳米粘土来增强水凝胶湿电极。该电极能同时增强力学性能和自粘附性,与人体皮肤紧密耦合,实现稳定的阻抗,抵抗运动干扰,以实现高灵敏度和长期稳定的电生理信号采集。

比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

图片来源:浙江大学台州研究院

国际方面,日本电子元器件制造商MURATA MANUFACTURING(上市公司,1944年成立)使用特别工艺为电极镀薄膜。薄膜中具有金属阳离子,优化了电荷转移,从而实现了电极表面的阻抗降低并提高了导电率。

2、更加稳定的电极-皮肤接触方式

除了电极的导电性能外,企业也在探索如何让电极更加贴紧皮肤并保持稳定贴合度以维持稳定阻抗。

国内方面,苏州意忆计科技用多聚糖制备高弹性水凝胶电极。电极顶部的特殊圆锥结构适于有发区使用。这种设计平衡了湿电极法的导电膏降低便利性和阻抗变化以及干电极法的硬电极不适配不同头围、头型所导致的压力不均。公司在材料和结构上进行了双重创新。

比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

图片来源:苏州意忆计科技产品介绍

国际方面,Apple、谷歌子公司 X DEVELOPMENT、美国初创公司NIURA CORP等在耳塞式EEG获取技术上有深入拓展。Apple将EEG信号获取集成进AirPods硬件平台并申请了专利(US-20230225659-A1)。X Development设计了具有弓形曲率的C形弹性支架来撑起入耳式电极,提高其与皮肤的接触应力。NIURA策略则是用盘绕导电丝的电极片包裹脑电采集耳塞的硅胶主体材料,增加电极在耳内的接触表面积。

#02

植入式电极

剃发或绕开毛发的耳塞式EEG虽然可以规避掉头发造成的信号干扰,但颅骨和头皮依然对于信号质量有一定的折损。

为了获得更高质量的信号,一定程度上需要借助有创的、植入式的电极。从浅到深可区分为皮层微电极和深度微电极。

1

皮层微电极

皮层微电极可有效的获取皮层脑电ECoG,其相对于EEG有更好的信噪比、分辨率、采集频率。皮层微电极可以放置在硬脑膜外或硬脑膜内,采集的主要是中等节律信号。

大多数皮层微电极基于硅胶或柔性聚合物的薄膜衬底进行制备。皮层微电极现阶段的攻克方向主要集中于两点:减小植入损伤和提高空间分辨率。

更小的植入损伤可进一步稳固半侵入式脑机接口的安全优越性,而高空间分辨率则可以在信号质量上追齐更深侵入的植入方式。

■ 损伤逐步减小的创新植入方式

由于必须要进行有创手术,最小化创面的微创手术和插入电极的方式尤为关键。

当前代表性创新植入术式分别为在硬脑膜和颅骨上进行微创开狭缝并借助导条工具等塞入柔性微电极,以避免水肿等脑组织损伤风险。

国内方面,近期完成临床试验进展发布的清华大学洪波教授博睿康团队,以半侵入的方式从脑膜外获取信号,通过近场无线技术,实现了双向通讯和供电,体内机无需电池。其供电技术为人工耳蜗使用过的成熟体外供电技术,对于在国内临床环境的落地和实践有加速作用。

国际方面,美国初创公司Precision Neuroscience使用狭缝插入的方式,在头骨上用振荡刀片切出400微米宽的切口以插入电极。该电极获得FDA的“突破性设备”认定。

当创面大小和电极大小进入到一个取舍平衡的极限时,在同等大小的电极上获得更多信息成为了突破口。

■ 让空间分辨率提高的新型电极

在单位面积内如何增加信号获取量、平衡通道数与功耗和电池尺寸、减小脑组织损伤,是皮层微电极升级方向之一。微型颅内皮层电极μECoG具有在亚毫米尺度上记录颅内脑电活动的能力,提供了硬件升级的突破口。

国内方面,西北工业大学吉博文教授团队开发了由细菌纤维素做基底,有望取代聚酰亚胺或聚对二甲苯柔性电极的高保湿超柔软微型ECoG。

比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

图片来源:Microsystems & Nanoengineering

微灵医疗的高密度网状超柔顺微型ECoG电极阵列处于工程样机阶段,已完成临床要求准备,与临床研究团队推进伦理和临床测试。

国际方面,加州大学的Shadi A. Dayeh团队设计了基于铂纳米棒表面修饰的高密度网状电极阵列,将传统ECoG的单位面积记录点提升了100倍,改善了空间分辨率。

2

刚性植入式电极

相比较于皮层电极,植入式电极有更深的植入深度,因此也能采集到更高分辨率的神经信号。由于刚性电极容易被大脑识别为外来物,会对其进行包裹保护,硅基电极在半年至一年后,由于胶质细胞包裹会逐渐绝缘。现阶段,刚性电极的研发趋势在先进制造工艺以及减少损伤的植入方式。

■ 愈发先进的制造工艺

国内方面,苏州科斗脑机在金属电极基础之上,使用高弹性的镍钛记忆合金材料开发半柔半刚性电极。该设计提高了电极的可植入时间,同时相较于传统犹他电极有更好的柔软度及弹性。

比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

图片来源:苏州科斗脑机官网

武汉衷华脑机融合则利用硅通孔高密度封装技术和倒焊工艺制造出具有65536通道的阵列电极,其所搭配的气动植入机构设备实现了电极一次性植入。

比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

图片来源:武汉衷华脑机融合官网

国际方面,美国植入式电极生产商NeuroNexus技术方向则是通过电极的机械性能和几何特性保持植入的一致性和可靠性。比利时微电子研究中心IMEC用互补式金属氧化物半导体技术将电子元件集成在探针上,技术特点为可实现电极的多路复用。

■ 减少损伤的植入方式

市场对于刚性电极长久以来的一大顾虑便是其创伤性。为了平衡刚性电极对脑组织的损伤,科研界提出了诸多创新植入方式。

国内方面,上海交通大学的刘景全团队使用超声振动的方式(专利号CN112370064B)来降低植入阻力,减少对脑组织的损伤。植入后,也可以借助超声振动去除包裹在电极上的细胞胶质,减缓绝缘过程。

比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

图片来源:国家知识产权局

杭州电子科技大学的王明浩团队则发明了具有刚性骨架和柔性衬底的神经探针结构(专利号CN114795224A),在植入后通过超声刺激使刚性骨架断裂,只在脑内保留探针柔性结构,减小脑部损伤。

比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

图片来源:国家知识产权局

南开大学的段峰团队则是与上海心玮医疗科技联合开发了颈静脉血管植入式电极来获取信号(专利号CN117220692A)。虽然获取的神经信号相对有限,但支架植入作为临床已有的手术方式,更容易进行推进和普及。

比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

图片来源:国家知识产权局

3、柔性植入式电极

由于柔性电极在减轻脑组织损伤和信号获取上都展现出了更大的潜力,是科研界和产业界重点投入研发的领域。目前,超柔性和高密度是主攻突破方向。

■ 超柔性

由于脑组织杨氏模量极低(0.4-15kPa),因此电极材料的选取变得尤为关键。硅基材料杨氏模量过高,在中国已经不是主流材料。除了聚酰亚胺、聚对二甲苯等可以微纳加工的聚合物外,弹性硅胶材料和超柔性水凝胶材料也颇受关注。这里的取舍是:材料越软,和脑组织的机械匹配性就越好,精细化微纳加工难度就越大。

在水凝胶方面,2023年,中科院长春应化所张强研究员研发的水凝胶电极通过引入聚轮烷结构作为交联剂,成功实现大鼠脑神经信号长期记录。2022年,西南交通大学的鲁雄教授、谢超鸣副教授团队、电子科技大学潘泰松副教授、中国海洋大学韩璐教授和北京基础医学研究所江小霞副研究员共同研发了具有脑组织力学和生物学匹配性的水凝胶电极,具有免疫逃逸性。

在弹性硅胶材料方面,聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于具有*的透光性、化学稳定性、热稳定性、生物相容性以及最重要的可加工性而展现出巨大潜力。实操难点上,PDMS材料的图形化工艺尚不成熟且精度有限,同时 PDMS有较高的水汽透过率,会对植入体内导电材料造成氧化和腐蚀问题。其加工精度和长期可靠性是下一步研发的重点。

■ 高密度

如之前所说,越柔软的电极带来的问题便是更难的精细化微纳加工。从技术(柔性和加工难度、成本)平衡取舍的角度,提高密度将引入全新的参考变量。

人体大脑约有860亿个神经元,现有脑机接口的通量显然是不足以处理如此巨大的输入。电极通道数量增加会带来一系列如电路连接、神经信号高保真放大滤波、数据算法处理、以及最现实的数据传输供电及散热问题。提高密度为硬件颠覆式迭代之前的可行方向。

国内方面,科研端和产业端都有*特色的技术路径。

上海阶梯医疗的高通量超柔性微纳电极,可实现最高2304通道的无免疫瘢痕植入,植入300天以上后仍能稳定采集脑电波信号。团队的设计方案是在材料本身柔性的极限内,通过降低电极厚度来降低弯曲应力,从而达到了细胞间作用力的量级,使细胞感知不到电极的存在。

中科院脑科学与智能技术*创新中心、国家纳米科学中心方英研究员和神经科学研究所李澄宇研究员及其团队研发了名为“神经流苏”的技术,通过将上千根与神经元突触尺寸接近柔性神经纤维电极浸入在聚乙二醇液体中,利用表面张力聚合“流苏”,待成功植入并降解代谢聚乙二醇后,柔性神经纤维电极自动释放。此方法通过优化植入方式来增加脑内纤维电极的数量。 

比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场?

图片来源:中国科学院国家纳米科学中心

同样借助创新性植入方法的还有上海脑虎科技。团队利用蚕丝蛋白抗菌、可降解、相容性好、机械性能佳的特点,将其包裹在MEMS集成电路工艺加工的高密度柔性电极外,使其固化,将硬度控制在血管和脑组织之间。植入后,蚕丝蛋白降解并释放柔性电极。目前,该技术仍在实验室阶段并已开展相关专利及产品报审。

随着一批技术逐渐在临床开展推进,其效果将很快在产业端产生波动。

#03

展望

通过将前沿技术与国内成熟临床应用相结合,本土从业者巧妙的快速推进着脑机接口在国内的落地。放眼可预期的近未来,高密度、超柔性、安全性是脑机接口电极的主要升级趋势。

现有电极的通道数量将很快难以平衡功耗、带宽、散热、电磁干扰带来的一系列问题。实现高密度的一个方向是通过材料工艺的改进实现更多信号读取点位或者获取新的信号(如光学)并以新的算法解读电生理以外的神经信号。

在实现超柔性方面,除了更极限的尺寸缩小以外,在稳定性、相容性、易于图形化等特性上有更好表现的新材料或新制备工艺是更加可行的方案。

新的制备工艺同样适用于安全性问题。具有生物活性的涂层也让提高防水性,减缓炎症并增加使用时长成为可能。

近期,一些新的探索已经展现出相当的潜力:可将电信号转换为透光性变化并可读出的液晶材料电极;UC伯克利和布朗大学研发的神经尘埃及神经颗粒电极;大分子蛋白、生物多肽、生长因子、缓释抗炎药物涂层技术。

当脑机接口电极性能得到全方位提升后,相信其必将惠及更广泛的神经疾病患者并撬动充满可能性的巨量市场。

想要了解更多关于脑机接口技术的内容,请关注脑机网,我们将定期发布最新的研究成果和应用案例,让您第一时间了解脑机接口技术的最新进展。

版权声明:Robot 发表于 2周前,共 4787 字。
转载请注明:比头发还细的电极,如何拉动百亿脑机接口市场? | 脑机网

您可能感兴趣的

暂无评论

暂无评论...