面向脑-机接口:基于超大孔水凝胶的半干脑电电极研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61703152
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0609.认知与神经科学启发的人工智‍能
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Modern applications of brain-computer interfaces (BCIs) based on electroencephalography rely heavily on the wet electrodes. Therefore, it is urgent to develop more convenient and reliable gel-free EEG electrodes. Since semi-dry electrodes have shown to be capable of recording reliable EEG signals without conductive gels or pastes, semi-dry electrodes have become the latest development direction of EEG electrodes which are suit for real-world BCIs. Although semi-dry electrodes have demonstrate several merits over dry electrodes, they still need to improve user convenience because of the need to supplement of electrolyte manually. This study aims to develop novel superporous hydrogel-based semi-dry electrodes using superporous hydrogel as interface materials, which are expected to realize automatic absorb or release of electrolyte. The principle of automatic absorb or release of electrolyte is mainly based on the rapid swelling behavior and macroporous structure of superporous hydrogels. The semi-dry electrodes will be optimized according theirs swelling rate in electrolyte solution and electrode-skin impedance. A set of evaluation methods of the semi-dry electrodes will be improved, and then the electrode performances (including electrochemical performance, signal quality, stability, and user experience) of the proposed semi-dry electrodes will be evaluated systematically. Further, the electrochemical impedance spectroscopy of three typical electrodes (wet electrodes, semi-dry electrodes, and dry electrodes) will be fitted by establishing their equivalent circuit models. Overall, the study will towards real-world BCIs, and provide new theories and technologies for development of gel-fee EEG electrodes.
目前基于脑电的脑-机接口严重依赖湿电极技术,亟需发展使用方便、信号可靠的无胶脑电电极技术。半干电极具有无胶、信号可靠等突出优点,是应用于脑-机接口电极的最新发展方向。尽管相对干电极优势明显,但需手动补充电解质,方便性仍有待提高。本项目拟发展一种基于超大孔水凝胶的半干脑电电极,利用超大孔水凝胶的溶胀速率快和大孔结构特性,有望实现电解质“自充放”,旨在解决半干电极存在的不方便问题。以溶胀速率、电极-皮肤阻抗作为筛选指标,筛选出电解质“自充放”性能最优的半干电极。紧密围绕脑-机接口应用,从电化学性能、信号质量、稳定性、用户体验角度进行系统评价,改善半干电极的评价方法。此外,还建立了3种典型电极(湿电极、半干电极、干电极)的等效电路模型,进一步通过阻抗谱拟合方法系统研究电极-皮肤阻抗特性。本项目面向现实生活场景的脑-机接口应用,为无胶电极开发提供了理论和技术支持,具有广泛的产业应用前景。

结项摘要

本项目创新构造了一种基于聚丙烯酰胺/聚乙烯醇超大孔水凝胶(PVA/PAM SPH)的新型半干脑电电极,证实了 “充放电”电解质概念可行。在中空电极腔中原位聚合形成的PVA/PAM SPH起动态“电解液库”的作用。超大孔水凝胶可以在短短几秒钟内完全充满盐水等电解质溶液,而且可通过电极端面的微柱以所需的速率“释放”到头皮。通过这种方式,在电极-皮肤接触部位实现了局部皮肤水合作用,形成生物电信号有效传输通路并显著降低了电极-皮肤阻抗。而且,有效地避免了短路和使用不便等问题。超大孔水凝胶半干电极具有低而稳定的接触阻抗和低的电位漂移值。半干电极和湿电极间的平均时域相关系数为0.941,说明半干电极的EEG信号质量高。超大孔水凝胶半干脑电电极具有快速安装、信号可靠和用户友好性等突出优势,在现实生活中EEG新应用中显示出了巨大的潜力。同时建立系统评价半干脑电电极性能的方法,为半干脑电电极的开发提供了方法学基础。本项目首次建立了湿电极、半干电极和干电极的等效电路模型,系统研究三种电极的电极-皮肤阻抗特性。半干电极与湿电极两种电极的面积归一化阻抗接近,充分说明半干电极概念是可行的。在压力或皮肤磨砂条件下,半干电极和干电极面积归一化阻抗差异都体现在皮肤电阻(Rs)和界面接触电阻(Res),而这两个参数都与电极/皮肤界面的电解质的量相关。这些电极-皮肤界面特性研究发现为半干脑电电极的设计提供了理论支撑。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Towards conductive-gel-free electrodes: Understanding the wet electrode, semi-dry electrode and dry electrode-skin interface impedance using electrochemical impedance spectroscopy fitting
走向无导电凝胶电极:使用电化学阻抗谱拟合了解湿电极、半干电极和干电极-皮肤界面阻抗
  • DOI:
    10.1016/j.snb.2018.08.155
  • 发表时间:
    2018-12-20
  • 期刊:
    SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Li, Guangli;Wang, Sizhe;Duan, Yanwen Y.
  • 通讯作者:
    Duan, Yanwen Y.
Review of semi-dry electrodes for EEG recording
脑电图记录半干电极的综述
  • DOI:
    10.1088/1741-2552/abbd50
  • 发表时间:
    2020-10-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF NEURAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Li,Guang-Li;Wu,Jing-Tao;Jin,Hong-Guang
  • 通讯作者:
    Jin,Hong-Guang
Morphology-dependent MnO2/nitrogen-doped graphene nanocomposites for simultaneous detection of trace dopamine and uric acid
形态依赖的MnO2/氮掺杂石墨烯纳米复合材料用于同时检测痕量多巴胺和尿酸
  • DOI:
    10.1016/j.msec.2019.110615
  • 发表时间:
    2020-04-01
  • 期刊:
    MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING C-MATERIALS FOR BIOLOGICAL APPLICATIONS
  • 影响因子:
    7.9
  • 作者:
    Li, Qing;Xia, Yonghui;Li, Guangli
  • 通讯作者:
    Li, Guangli
Towards emerging EEG applications: a novel printable flexible Ag/AgCl dry electrode array for robust recording of EEG signals at forehead sites
面向新兴脑电图应用:新型可打印柔性 Ag/AgCl 干电极阵列,用于在前额部位可靠记录脑电图信号
  • DOI:
    10.1088/1741-2552/ab71ea
  • 发表时间:
    2020-04-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF NEURAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Li, Guangli;Wu, Jingtao;He, Quanguo
  • 通讯作者:
    He, Quanguo
基于多孔陶瓷的新型半干脑电电极
  • DOI:
    10.3969/j.issn.1674-7100.2019.04.006
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    包装学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李广利;覃子容;夏用恢;巫祎咏;田亚玲;刘军;贺全国
  • 通讯作者:
    贺全国

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其他文献

关于k极凸空间的几点注记
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    数学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    苏雅拉图;李广利
  • 通讯作者:
    李广利
高压捕获翼前缘型线优化和分析
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    力学学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    李广利;崔凯;肖尧;徐应洲
  • 通讯作者:
    徐应洲
矿工关键不安全情绪识别研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    西安科技大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李广利;田水承;严一知;陈耀光;吴泽玉
  • 通讯作者:
    吴泽玉
基于实验设计方法的高超声速飞机前缘型线优化分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡守超;崔凯;李广利;肖尧;司徒明
  • 通讯作者:
    司徒明
煤矿班组长胜任特征模型构建
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    煤矿安全
  • 影响因子:
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  • 作者:
    李广利;杨禄;李停军;刘磊
  • 通讯作者:
    刘磊

其他文献

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李广利的其他基金

基于负载Ag/AgCl纳米粒子高强度、自愈合和抗菌双网络水凝胶的半干脑电电极研究
  • 批准号:
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基于负载Ag/AgCl纳米粒子高强度、自愈合和抗菌双网络水凝胶的半干脑电电极研究
  • 批准号:
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  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    57.00 万元
  • 项目类别:
    面上项目

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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