Device | 前額“紋身”解鎖腦力密碼：實時監測腦電波，精準評估認知負荷

2025-06-04 16:07

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

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在日益復雜和高壓的現代社會，從飛行員的駕駛艙到醫生的手術臺，實時、準確地評估個體的腦力負荷對于保障安全和提升效率至關重要。然而，傳統的腦電圖（EEG）和眼電圖（EOG）監測設備往往因其笨重、佩戴不適和易受運動干擾等缺陷，難以在真實工作場景中有效部署。

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

圖1 無線額頭腦電圖和EOG電子紋身

技術革新：輕巧之下的硬核實力

該電子紋身系統的核心競爭力在于其獨特的電極材料、精巧的電路設計和優異的系統集成：

1. APC-GPU電極的突破：研究團隊采用了創新的“APC-GPU”電極。該電極選用石墨沉積聚氨酯（GPU）作為基礎導電材料，通過經濟的“剪切-粘貼”工藝制成絲網狀導電網絡。關鍵在于，在其傳感區域涂覆了一層特制的APC（粘合性PEDOT:PSS導電聚合物復合材料）。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勢:

超強皮膚附著力：其粘附力是傳統商業凝膠電極的12倍，確保了佩戴的穩固性。

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的運動偽影至關重要。

圖2 APC-GPU電極

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

圖3 FPC設計

性能驗證：真實場景下的硬指標

研究團隊對電子紋身的性能進行了嚴苛的測試。在與業界公認的黃金標準——商用凝膠電極腦電圖系統（Brain Vision actiCAP）的直接對比中，該電子紋身不僅展現了相當的信號保真度（例如，準確捕捉睜閉眼任務中α波節律的同步與去同步現象），更在抑制運動偽影方面表現出壓倒性優勢。實驗結果表明，在頭部轉動、行走甚至跑步等劇烈動態條件下，傳統系統信號往往受到嚴重干擾，而電子紋身記錄的EEG信號則能保持高度穩定和清晰（如圖4F所示）。

圖4 使用凝膠電極對 Brain Vision EEG 設備的信號質量驗證

在核心的腦力負荷評估實驗中，受試者佩戴電子紋身參與了不同難度的雙N-back認知任務（如圖1G所示的實驗裝置）。研究人員發現，前額EEG的特定頻段功率（例如，θ波段功率隨負荷增加而增加，α波段功率則降低）與任務難度（N值）以及NASA-TLX主觀負荷評分呈現出顯著的相關性?；谶@些生理特征數據，研究人員訓練了一個隨機森林機器學習模型。該模型能夠有效地對不同腦力負荷水平進行分類，并進行回歸預測。在對一名受試者的連續任務數據進行預測時，其預測結果與實際負荷水平的皮爾遜相關系數達到了驚人的0.89（如圖5D所示），充分證明了該系統在動態估算腦力負荷方面的潛力。

圖5 腦力負荷估計

行業現狀及前沿展望

當前，可穿戴腦電監測領域正經歷飛速發展，涌現出多種形態的產品和研究。例如，商業市場上已有如Muse [2]、Emotiv [3] 等品牌的頭環式EEG設備，它們通常配備干電極，并結合App提供冥想輔助、情緒追蹤等功能，但在舒適度、運動偽影抑制以及針對特定腦力負荷的精細化監測方面仍有提升空間，且其外形通常較為顯眼。

學術界對柔性、無感穿戴的追求也催生了多種“電子皮膚”或“電子紋身”形態的EEG傳感器研究。部分研究采用了如金納米膜、碳納米管或導電聚合物等不同材料，探索更優的導電性和生物相容性。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量。Huh等人開發的這款APC-GPU電子紋身，在與文獻中其他前額可穿戴設備的比較中（表1所示），其在接觸阻抗、系統厚度、重量以及尤其在功耗和電池續航方面展現了顯著優勢。其APC電極提供的強附著力，結合RLD電路對噪聲的有效抑制，是其在動態環境下保持高信噪比的關鍵。

表1 基于EEG及EOG的額頭可穿戴設備對比

相較于一些專注于睡眠監測（如Shustak等人的研究，見表1，文獻[40]）或特定眼動追蹤（如Mishra等人的研究，見表1，文獻[41]）的電子紋身，Huh等人的工作明確聚焦于更為復雜的腦力負荷估算，并整合了多通道EEG和EOG數據以及機器學習算法進行解碼。其系統設計的實用性，如一次性電極與可重復使用FPC的組合，也為未來潛在的臨床或商業應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、抗運動干擾強以及無線長時程監測等突出特性，為腦力負荷的客觀、連續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眼鏡等其他頭戴設備（如圖S1所示），預示著其在飛行員狀態監測、復雜任務操作員認知負荷管理、醫療康復乃至教育和日常健康管理等領域的廣闊應用前景。