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脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书(81页)

行业报告下载 2021年07月21日 09:11 2 管理员

这类脑机接口需要采用神经外科手术方法将采集电极植入大脑皮层、硬脑 膜外或硬脑膜下,如图3中的皮层内记录和皮层表面记录(ECoG)。根据是否 植入皮层内或创伤的程度,可分为完全植入式脑机接口(创伤性较大的皮层内 记录脑机接口)和微创脑机接口(基于 ECoG 的脑机接口)。侵入式脑机接口 的电极长期稳定放置,直接记录神经元电活动,信号衰减小,信噪比和空间分 辨率高。但这属有创伤植入,技术难度大,存在继发感染可能性,一旦发生颅 脑感染、电极故障或电极寿命结束,需将电极取出,会造成二次损伤。微创脑 机接口可能比皮层内记录脑机接口更易实用化,但总的来说,侵入式脑机接口 有待深入研究,突破相关技术瓶颈,具有重要的科学研究价值和潜在的应用前 景。侵入式脑机接口的采集电极主要有刚性和柔性电极。刚性电极是侵入式电 极的代表,其技术较成熟,稳定性好、电极密度高、耐体液腐蚀,密歇根电极 和犹他电极是最具代表性的两种刚性电极。由于刚性电极硬度远高于脑组织, 难以随大脑运动,容易形成愈伤组织从而减弱信号,因此柔性电极将成为未来 发展的趋势。

柔性电极的弹性模量和剪切模量与脑组织类似,可以适应大脑的弯 曲拓扑结构,柔性材料应具备良好的生物相容性、柔韧性和微加工工艺兼容性, 聚二甲基硅氧烷(PDMS) 、聚酰亚胺(PI) 、聚对二甲苯(Parylene) 等是常用材料。 2)非侵入式脑机接口 这类脑机接口通过附着在头皮上的穿戴设备(如脑电帽、近红外头盔或磁共 振头线圈等)测量大脑的电活动或代谢活动,无需手术,安全无创。其中脑电 帽是最常用的非侵入式传感器,可以在头皮上监测到群体神经元的放电活动, 时间分辨率高,但空间分辨率低,且受大脑容积导体效应的影响,传递至头皮 表面时衰减较大,易被噪声污染,信噪比低。 除了最常用的从头皮采集脑电信号,现今用于非侵入式脑机接口系统的脑 信号采集方法还有以下几种:功能近红外光谱(fNIRS)、功能性磁共振成像 (fMRI)、脑磁 (MEG)等。这些脑信号采集技术的时间分辨率和空间分辨率各不 相同,与侵入式采集技术的时空分辨率相比较,如图 5 所示。 fNIRS 技术利用血液的主要成分对 600-900nm 近红外光良好的散射性,从 而获得大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化情况[13]。该技术性价比 高、便携性好、噪声小和生态效应较好(能容忍用户一定程度的动作)等优点, 但空间分辨率和时间分辨率不高,需要通过算法在一定程度上提高。基于 fNIRS 的脑机接口具有潜在的研究和应用价值。

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资源名称:脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书(81页)


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