《SCIENCE ADVANCES》：Highly stretchable, hair-compatible multichannel neural interface with time-stable hydrogel for high-fidelity long-term EEG sensing
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可靠的脑机接口（brain-computer interfaces，BCI）需要脑电（electroencephalography，EEG）传感器在穿过头发、运动以及重复使用过程中维持共形、低阻抗接触。在此，研究人员提出 MindStretcH，一种可拉伸且毛
可靠的脑机接口（brain-computer interfaces，BCI）需要脑电（electroencephalography，EEG）传感器在穿过头发、运动以及重复使用过程中维持共形、低阻抗接触。在此，研究人员提出 MindStretcH，一种可拉伸且毛发兼容的EEG平台，其整合了kirigami图案化弹性体网格、可变形共晶镓铟（eutectic gallium-indium，EGaIn）互连以及可拆卸的基于水凝胶的锥形电极。该系统可适应头部几何形状变化，在显著机械变形下保持电性能，并在长期使用中维持稳定的电极-头皮接触。纵向运动想象（motor imagery，MI）记录和重复在线BCI实验显示出一致的任务相关EEG活动，且记录质量无可测量退化。这些结果确立 MindStretcH 作为可重复使用平台，用于实验室、临床和家庭环境中的长期EEG监测与BCI应用。
脑电（electroencephalography，EEG）近一个世纪以来是神经科学研究和临床应用的重要基础，其突出的时间分辨率可用于实时监测神经动力学，对癫痫和睡眠障碍等神经系统疾病的诊断与管理不可或缺。EEG也是非侵入性脑机接口（brain-computer interfaces，BCI）的基础技术，可在无需开颅的情况下实现大脑与外部设备之间的直接通信，并已拓展至智能假肢控制、交流恢复和神经康复训练等应用。然而，EEG硬件接口仍是主要瓶颈。金标准EEG记录系统通常为 heavily wired EEG系统或配备湿电极的刚性头帽，虽可在受控环境中获得高质量记录，但需要训练有素人员安装和移除，且长期使用时凝胶会干燥。干电极更友好，但在头发存在时因接触质量不足或运动伪影常导致信号退化；为维持可靠接触，许多干电极采用尖或锥形几何结构，可能引起不适甚至疼痛，不适合长时间记录。因此，在毛发区域使用干电极进行高质量EEG记录通常需要剃发，这在常规使用中不切实际，也可能给女性患者或儿童带来心理困扰。近年来，研究人员所在实验室及其他实验室开发了基于水凝胶的EEG电极，可像湿电极一样实现高质量记录，并具有至少一个月的长期稳定性。然而，在多通道EEG头戴记录中，电极应用和移除仍耗时；此外，由于每次使用这些EEG系统需要应用不同电极材料，同一系统无法重复用于纵向使用。可拉伸性是EEG头戴的另一重要特征，可实现设备鲁棒性和用户舒适性，并使同一头戴适用于不同头围和几何形状的人群。近期，Tian et al. 展示了一种大面积表皮电子接口，可提供全头皮EEG记录，实现假肢控制和认知监测的多模态测量；Scalco de Vasconcelos et al. 展示了一种头皮打印电子纹身BCI系统，凸显数字制造技术生产超薄共形EEG传感器的潜力。然而，这些EEG系统仍需在使用前剃除受试者头发，限制了其广泛应用。为克服这些限制，研究人员开发了集成网格、可拉伸且毛发兼容的MindStretcH EEG系统，用于可靠、舒适和长期的神经信号采集。该共形头戴包含分布于中央及邻近头皮区域的多个记录位点，可适应头部几何形状变化，同时维持一致电极定位和头皮覆盖。系统分层结构包括弹性体封装层、图案化可拉伸互连、接口连接器、kirigami结构化基底和可拆卸电极。大应变适应性来自kirigami启发弹性体基底和EGaIn互连。拉伸负载下，图案化切口打开并在网格中重新分布变形，使基底从初始构型扩展，同时限制导电通路中的局部应变。嵌入式EGaIn迹线随kirigami结构变形，并在拉伸和共形贴合期间保持电连续性。区域特异性图案化进一步适应头皮曲率和头部尺寸差异，同时保持记录电极的相对空间排列。为穿过头发可靠记录，MindStretcH使用与定制离子水凝胶集成的可拆卸多孔锥形电极。锥形几何结构使电极穿过毛发层并与头皮直接接触而不穿透皮肤，移除后残留极少。标准按扣连接器将电极耦合到可拉伸基底，允许快速、无需工具地替换单个传感单元，简化重复使用、维护和卫生管理。在头皮界面，由甘油、氯化钾（KCl）和2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠盐（AMPSNa）组成的水合GKAmp凝胶形成离子导电且机械顺应接触。解离离子支持通过水凝胶的电荷传输，而亲水性聚合物网络和富含甘油的溶剂环境保留水分，并在较长时间内保持界面顺应性。这种柔软、水合界面增大了有效电极-头皮接触面积，降低局部压力和界面阻抗，支持低振幅EEG电位的稳定采集。kirigami网格、可变形液态金属互连、可拆卸多孔电极和长效离子水凝胶共同定义了集成传感平台，能够维持机械共形性和信号保真度，为长期EEG监测和BCI应用提供基础。研究人员开展的研究表明，该系统适应头形、在显著机械变形下保持电性能，并在长期使用中维持稳定电极-头皮接触；纵向MI记录和重复在线BCI实验显示一致任务相关EEG活动且记录质量无可测量退化。该论文发表于《SCIENCE ADVANCES》，其意义在于确立MindStretcH作为可重复使用平台，用于实验室、临床和家庭环境中的长期EEG监测与BCI应用。
关键技术方法概述：研究人员构建kirigami图案化弹性体基底、EGaIn互连和可拆卸GKAmp水凝胶锥形多孔电极集成平台；采用有限元分析评估拉伸和压缩下应力与位移；进行电机械循环、扭转、弯曲、信号衰减和信噪比测试；测量电极及电极-皮肤阻抗、长时稳定性、保水和细胞毒性；人体研究经UT Austin机构审查委员会批准，纳入6名健康参与者（女性:男性=1:1，年龄24.3±5.8岁），按10-10系统布置中央感觉运动12通道，完成30天离线MI记录及多周在线BCI，采用Riemannian几何最小距离均值（minimum distance to mean，MDM）分类器解码。
研究结果：
机械适应性与MindStretcH的电性能。研究人员在密集、紧密卷发受试者上检查实际共形性，发现kirigami结构化头戴可随颅骨轮廓扩展，同时保持中央头皮覆盖和记录电极相对排列；开放网格使头发穿过基底而非在头戴下积聚，锥形电极在发丝间接触头皮。通过有限元分析（finite element analysis，FEA）模拟双侧拉伸，位移图显示变形分布在整个图案化基底，横向高延展区域扩展更大，中央电极承载区域变形受控；应力主要集中在kirigami切口边缘和尖端，最大模拟应力约0.16 MPa，低于Ecoflex 00-30报道的拉伸强度约1.38 MPa。横向区域采用较大切口长度与水平间距比（L
CL/L
HS=4.0），中央头皮区域采用较低比值（L
CL/L
HS=1.5），以平衡延展性和位置稳定性。通过500次100%应变加载-卸载循环、单次循环、随机应变、扭转和弯曲以及信号传输测试，研究人员发现EGaIn互连电阻保持窄范围且无渐进增加，迟滞仅0.63%，电流随变形可逆变化；在0至100%应变下，信号与传统金属线传输高度重叠，衰减低于0.2 dB，信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）高于13，扭转和弯曲下衰减低于0.2 dB且SNR一般高于15。结论是kirigami基底可大幅变形，而嵌入式EGaIn互连保持低振幅电生理信号保真度。
水凝胶与3D打印弹性电极集成用于毛发兼容EEG记录。研究人员基于此前AIRTrode水凝胶开发了GKAmp离子水凝胶，由甘油、KCl和AMPSNa组成，以提高长期稳定性并避免深色不透明和PEDOT:PSS相关限制。通过皮肤粘附、力学、阻抗、长期稳定性、保水和细胞毒性测试，研究人员发现GKAmp可粘附于手指和前臂等皮肤表面，最大粘附强度1.56 N/cm，八次重复粘附循环后仍稳定；拉伸强度32.95 kPa，断裂伸长877%，平均杨氏模量16.5 kPa；压缩至原厚度30%时压缩应力从0.23 N±0.10 kPa增至1.19 N±0.19 kPa。电极-皮肤界面阻抗低于干电极，略高于湿电极；KCl含量从0.29、0.58增至0.88 wt%时，水凝胶和电极-皮肤界面阻抗在1至1000 Hz广泛频率范围明显降低。水凝胶在4周内电荷传输性能退化极小，600小时重量保留分析显示含甘油水凝胶在环境湿度30%至55%波动下仍维持水合水平高于80%；细胞毒性测试显示24和48小时孵育后细胞活性高于75%。与商业EEG凝胶相比，GKAmp在睁眼和闭眼测试中mu带幅值和功率相当，幅值相关系数r=0.8062，功率相关系数r=0.9408。为改善毛发兼容性，研究人员开发3D打印锥形支撑平台，使水凝胶仅尖端暴露，锥尖多孔结构平均孔径约1 mm，尖端区域24孔，估计孔隙率约46.2%。FEA和压缩实验显示，多孔电极比非多孔电极产生更均匀应力分布和更小外周位移，10%和30%应变下应力更低（10%应变：1.4 N对2.2 N，P=0.0047；30%应变：4.0 N对6.3 N，P<0.0001），在人体前臂和前额佩戴后非多孔平台残留红斑更明显。结论是该集成设计可在不同毛发密度和质地中建立稳定头皮接触，减少凝胶残留并提高长时间佩戴舒适性。
MindStretcH的长期且可靠运动想象EEG监测。研究人员对6名受试者进行1个月MI EEG记录，并在第0、4、8、15、30天评估mu带（8至13 Hz）和beta带（18至30 Hz）活动。结果显示，MI任务期间mu带和beta带出现清晰事件相关去同步化（event-related desynchronization，ERD），任务期功率持续下降；休息条件下未出现ERD，mu和beta功率随时间保持稳定。C3/C4归一化ERD显示，双因素重复测量方差分析（repeated-measures analysis of variance，RM-ANOVA）发现条件（MI对休息）与时间进展交互作用显著（P=0.0377），条件（P=0.0276）和时间进展（P<0.0001）也显著；事后Tukey检验显示MI-mu与rest-mu在第0天（P=0.0258）和第8天起（第8天P=0.0043，第30天P<0.0001）存在显著差异，第4天不显著（P=0.0564）。beta带ERD也显示条件（P=0.0276）和时间进展（P<0.0001）显著。地形图显示mu带MI诱发感觉运动皮层对侧C3强去同步，同侧C4去同步最小；beta带去同步更宽泛且空间特异性较低。为评估记录质量，研究人员在纵向研究中重复使用同一MindStretcH电极，而对照为每个比较时间点新制备并新鲜施加湿凝胶的传统EEG帽。50至150 μV阈值下，两系统试验拒绝率相当，设备类型与拒绝阈值无显著交互（P=0.9979），尽管设备类型总体效应显著（P=0.0287），但?ídák多重比较未发现任一阈值下显著差异；保留试验的均方根（root mean square，RMS）振幅也相当（P=0.7922）。复合指标在多数时间点无显著差异。纵向30天头皮-电极阻抗逐渐降低，第1次与后续第8、15、30天存在显著差异（P=0.0060、P=0.0008、P<0.0001）。结论是MindStretcH在长期使用中保持与标准EEG帽相当的信号质量，且电极随时间更好地贴合头皮。
机器学习驱动的多周闭环MI-BCI操作。在1个月离线研究后，相同受试者完成三次在线BCI会话，使用基于Riemannian几何的MDM分类器区分优势手MI与休息，并提供实时视觉反馈。结果显示，样本级分类准确率在三次会话中保持稳定，组水平约为第1天69%、第2天68%、第26±2天73%，重复测量方差分析无显著会话效应（P=0.1226）；BCI命中准确率组水平约为74%、71%、77%，无显著差异（P=0.2755）；条形反馈动态组水平约为76%、74%、78%，无显著差异（P=0.1957）。各在线会话电极-头皮阻抗分别为42.2±30.6、47.7±41.5和48.9±27.1 kΩ，无显著差异（P=0.3938）。结论是MindStretcH与常规MI-BCI解码器配对后，可支持多周稳定闭环控制，未出现硬件相关性能退化。
讨论部分总结：研究人员在本研究中开发了MindStretcH，一种可拉伸且毛发兼容的EEG接口，整合kirigami图案化弹性体基底、可变形EGaIn互连和可拆卸水凝胶基锥形电极。该系统设计用于在重复纵向记录中，包括密集头发受试者，维持共形接触和稳定信号传输。结果支持其机械适应性、界面稳定性以及重复MI EEG采集的适用性。与过去5年代表性EEG头戴和电极阵列比较，MindStretcH在可拉伸性、毛发兼容性、阻抗稳定性、信号保真度和可重复使用性方面具有差异。局限包括：当前电极阵列主要集中在中央感觉运动区，适合MI BCI实验，但限制额、颞、顶、枕区域或更完整全头皮采样的临床和神经生理应用；模块化结构为扩大覆盖提供可能，但需控制电极定位、互连布线、总设备重量、应变分布以及不同曲率和毛发密度区域的接触稳定性，并需更大、更多样队列验证。温度、湿度和长期出汗等环境因素可能影响长时间连续佩戴界面的机械和电性能，应在受控环境和动态条件下评估。电极-头皮接触可能随设备放置和操作者技术变化，未来版本可加入接触质量监测、引导放置或自动阻抗反馈。当前研究在健康受试者中完成并聚焦MI任务，患者人群和特定记录范式的临床验证仍必要。研究结论翻译：这些结果确立 MindStretcH 作为可重复使用平台，用于实验室、临床和家庭环境中的长期EEG监测与BCI应用。
