Device | 前額“紋身”解鎖腦力密碼：實時監(jiān)測腦電波，精準(zhǔn)評估認(rèn)知負(fù)荷

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在日益復(fù)雜和高壓的現(xiàn)代社會，從飛行員的駕駛艙到醫(yī)生的手術(shù)臺，實時、準(zhǔn)確地評估個體的腦力負(fù)荷對于保障安全和提升效率至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的腦電圖（EEG）和眼電圖（EOG）監(jiān)測設(shè)備往往因其笨重、佩戴不適和易受運(yùn)動干擾等缺陷，難以在真實工作場景中有效部署。

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科研團(tuán)隊成功研制出一款創(chuàng)新性的無線、超薄、可穿戴前額電子紋身（e-tattoo）。這款幾乎“隱形”的設(shè)備能夠舒適地貼附于用戶前額（如圖1A所示)，實現(xiàn)對EEG和EOG信號的連續(xù)、高保真采集，從而對用戶的腦力負(fù)荷變化進(jìn)行客觀評估。這項發(fā)表于《Device》期刊的研究，為可穿戴神經(jīng)技術(shù)領(lǐng)域帶來了重要突破[1]。

 圖1 無線額頭腦電圖和EOG電子紋身 

技術(shù)革新：輕巧之下的硬核實力

該電子紋身系統(tǒng)的核心競爭力在于其獨特的電極材料、精巧的電路設(shè)計和優(yōu)異的系統(tǒng)集成：

1. APC-GPU電極的突破：研究團(tuán)隊采用了創(chuàng)新的“APC-GPU”電極。該電極選用石墨沉積聚氨酯（GPU）作為基礎(chǔ)導(dǎo)電材料，通過經(jīng)濟(jì)的“剪切-粘貼”工藝制成絲網(wǎng)狀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵在于，在其傳感區(qū)域涂覆了一層特制的APC（粘合性PEDOT:PSS導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料）。這種APC涂層不僅賦予電極出色的柔韌性和可拉伸性，更帶來了兩大核心優(yōu)勢:

超強(qiáng)皮膚附著力：其粘附力是傳統(tǒng)商業(yè)凝膠電極的12倍，確保了佩戴的穩(wěn)固性。

極低皮膚接觸阻抗：在10Hz下，其接觸阻抗低至8.03 kΩ·cm2，優(yōu)于商用凝膠電極的12.06 kΩ·cm2 。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像直觀展示了APC涂層使電極與皮膚表面實現(xiàn)了無縫貼合（如圖2C所示），這對于抑制身體活動或面部表情引發(fā)的運(yùn)動偽影至關(guān)重要。

 圖2 APC-GPU電極 

2. 高度集成的柔性電子（FPC）：數(shù)據(jù)采集與無線傳輸模塊（FPC）設(shè)計為可重復(fù)使用，與一次性的電極層分離。該FPC采用超薄雙層電路設(shè)計（電極部分厚度117μm，整體系統(tǒng)含F(xiàn)PC厚度約7.5mm），總重量僅8.1克（含150mAh電池）。獨特的“島嶼-蛇形”結(jié)構(gòu)確保了電路在面部活動時的柔韌性和共形性。FPC內(nèi)部集成了低噪聲放大器、24位高精度ADC（ADS1299）以及藍(lán)牙低功耗（BLE, nRF52832）通訊芯片（如圖3A所示）。得益于優(yōu)化的電路設(shè)計，系統(tǒng)平均電流消耗僅為5.25mA，使得150mAh電池能夠支持超過28小時的連續(xù)工作。此外，集成的右腿驅(qū)動（RLD）電路能有效抑制高達(dá)85.7%的工頻干擾，確保信號純凈度。

 圖3 FPC設(shè)計 

性能驗證：真實場景下的硬指標(biāo)

研究團(tuán)隊對電子紋身的性能進(jìn)行了嚴(yán)苛的測試。在與業(yè)界公認(rèn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)——商用凝膠電極腦電圖系統(tǒng)（Brain Vision actiCAP）的直接對比中，該電子紋身不僅展現(xiàn)了相當(dāng)?shù)男盘柋Ｕ娑龋ɡ纾瑴?zhǔn)確捕捉睜閉眼任務(wù)中α波節(jié)律的同步與去同步現(xiàn)象），更在抑制運(yùn)動偽影方面表現(xiàn)出壓倒性優(yōu)勢。實驗結(jié)果表明，在頭部轉(zhuǎn)動、行走甚至跑步等劇烈動態(tài)條件下，傳統(tǒng)系統(tǒng)信號往往受到嚴(yán)重干擾，而電子紋身記錄的EEG信號則能保持高度穩(wěn)定和清晰（如圖4F所示）。

 圖4 使用凝膠電極對 Brain Vision EEG 設(shè)備的信號質(zhì)量驗證 

在核心的腦力負(fù)荷評估實驗中，受試者佩戴電子紋身參與了不同難度的雙N-back認(rèn)知任務(wù)（如圖1G所示的實驗裝置）。研究人員發(fā)現(xiàn)，前額EEG的特定頻段功率（例如，θ波段功率隨負(fù)荷增加而增加，α波段功率則降低）與任務(wù)難度（N值）以及NASA-TLX主觀負(fù)荷評分呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。基于這些生理特征數(shù)據(jù)，研究人員訓(xùn)練了一個隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)模型。該模型能夠有效地對不同腦力負(fù)荷水平進(jìn)行分類，并進(jìn)行回歸預(yù)測。在對一名受試者的連續(xù)任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測時，其預(yù)測結(jié)果與實際負(fù)荷水平的皮爾遜相關(guān)系數(shù)達(dá)到了驚人的0.89（如圖5D所示），充分證明了該系統(tǒng)在動態(tài)估算腦力負(fù)荷方面的潛力。

 圖5 腦力負(fù)荷估計 

行業(yè)現(xiàn)狀及前沿展望

當(dāng)前，可穿戴腦電監(jiān)測領(lǐng)域正經(jīng)歷飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出多種形態(tài)的產(chǎn)品和研究。例如，商業(yè)市場上已有如Muse [2]、Emotiv [3] 等品牌的頭環(huán)式EEG設(shè)備，它們通常配備干電極，并結(jié)合App提供冥想輔助、情緒追蹤等功能，但在舒適度、運(yùn)動偽影抑制以及針對特定腦力負(fù)荷的精細(xì)化監(jiān)測方面仍有提升空間，且其外形通常較為顯眼。

學(xué)術(shù)界對柔性、無感穿戴的追求也催生了多種“電子皮膚”或“電子紋身”形態(tài)的EEG傳感器研究。部分研究采用了如金納米膜、碳納米管或?qū)щ娋酆衔锏炔煌牧希剿鞲鼉?yōu)的導(dǎo)電性和生物相容性。例如，一些研究也嘗試了如絲蛋白基底或水凝膠電極以提升佩戴舒適度和信號質(zhì)量。Huh等人開發(fā)的這款A(yù)PC-GPU電子紋身，在與文獻(xiàn)中其他前額可穿戴設(shè)備的比較中（表1所示），其在接觸阻抗、系統(tǒng)厚度、重量以及尤其在功耗和電池續(xù)航方面展現(xiàn)了顯著優(yōu)勢。其APC電極提供的強(qiáng)附著力，結(jié)合RLD電路對噪聲的有效抑制，是其在動態(tài)環(huán)境下保持高信噪比的關(guān)鍵。

 表1 基于EEG及EOG的額頭可穿戴設(shè)備對比 

相較于一些專注于睡眠監(jiān)測（如Shustak等人的研究，見表1，文獻(xiàn)[40]）或特定眼動追蹤（如Mishra等人的研究，見表1，文獻(xiàn)[41]）的電子紋身，Huh等人的工作明確聚焦于更為復(fù)雜的腦力負(fù)荷估算，并整合了多通道EEG和EOG數(shù)據(jù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行解碼 。其系統(tǒng)設(shè)計的實用性，如一次性電極與可重復(fù)使用FPC的組合，也為未來潛在的臨床或商業(yè)應(yīng)用提供了成本效益考量。

這款前額電子紋身憑借其輕薄無感、佩戴舒適、抗運(yùn)動干擾強(qiáng)以及無線長時程監(jiān)測等突出特性，為腦力負(fù)荷的客觀、連續(xù)評估提供了一個極具競爭力的解決方案。其超薄外形使其能夠輕松兼容頭盔、VR眼鏡等其他頭戴設(shè)備（如圖S1所示），預(yù)示著其在飛行員狀態(tài)監(jiān)測、復(fù)雜任務(wù)操作員認(rèn)知負(fù)荷管理、醫(yī)療康復(fù)乃至教育和日常健康管理等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

 圖S1 前額紋身與頭盔的兼容性 

盡管成就斐然，研究團(tuán)隊也坦承當(dāng)前系統(tǒng)仍有提升空間，未來工作將聚焦于進(jìn)一步優(yōu)化電極的透氣性和汗液管理能力，以適應(yīng)更長時間的連續(xù)佩戴需求；探索兼容毛發(fā)區(qū)域的新型電極設(shè)計，以擴(kuò)展監(jiān)測的腦區(qū)范圍，獲取更全面的神經(jīng)活動信息；并在更廣泛、更復(fù)雜的真實世界應(yīng)用場景中對其有效性和魯棒性進(jìn)行充分驗證。

總而言之，這項研究不僅代表了可穿戴電子技術(shù)的一大進(jìn)步，更為我們理解和管理人腦的認(rèn)知狀態(tài)開啟了新的窗口，有望將實驗室級別的精密腦電監(jiān)測能力無縫融入日常生活與工作中，推動人機(jī)交互和個性化認(rèn)知健康管理的深刻變革。

參考資料：

[1] A wireless forehead e-tattoo for mental workload estimation, Huh, Heeyong et al., Device, Volume 0, Issue 0, 100781

[2] https://choosemuse.com/

[3] https://www.uoimy.com/emotiv

END

撰文 | 羅虎

編輯 | 張艷青

審核 | 醫(yī)工學(xué)人理事會