DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-024-00702-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38828404
تاريخ النشر: 2024-05-31
المؤلف: Zhengjie Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم الأعصاب والهندسة العصبية
نظرة عامة
تقدم هذه البحث جهاز مصفوفة إبر دقيقة متعددة القنوات (MMA) جديدة، تحتوي على 32 قناة مستقلة، مصممة للتسجيل غير المؤلم للإشارات الكهربية عبر الجلد مثل تخطيط الدماغ (EEG)، تخطيط القلب (ECG)، وتخطيط العضلات (EMG). باستخدام نهج تصنيع تقليل الأبعاد على لوحة دائرة مرنة، تخترق الـ MMA بشكل فعال الطبقة القرنية، مما يقلل بشكل كبير من مقاومة الجلد للقطب الكهربائي ويعزز كفاءة اكتساب الإشارة. يتيح هذا الجهاز جمع البيانات بكفاءة عالية من مواقع متعددة، محققًا دقة زمنية ومكانية عالية مقارنة بتسجيلات الإبر الدقيقة الفردية.
أظهرت النتائج التجريبية قدرة الـ MMA على التقاط وتمييز التوزيع المكاني لإشارات ECG وEMG وEEG في نماذج الأرانب الحية. ومن الجدير بالذكر أن أقطاب الإبر الدقيقة أظهرت جودة إشارة متفوقة لتسجيلات EEG مقارنة بمصفوفات الأقطاب الجافة التقليدية. لا تعزز هذه التطورات فقط إمكانية تحسين دقة التشخيص في التقييمات الكهربية الحيوية، بل تقدم أيضًا تطبيقات واعدة في تكنولوجيا واجهات الأعصاب وتطوير أدوات لمراقبة الأمراض المتعلقة بالكهرباء الحيوية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية اكتشاف الإشارات الكهربية الحيوية، مثل تخطيط الدماغ (EEG)، تخطيط القلب (ECG)، وتخطيط العضلات (EMG)، لفهم توليد ونقل الإشارات البيوإلكترونية في الأنسجة البيولوجية. هذه الإشارات حيوية لتشخيص ومراقبة الأمراض المختلفة، خاصة في الأنظمة العصبية العضلية حيث يمكن أن توفر إشارات EMG رؤى حول نشاط العضلات وإصابات الأعصاب. يسمح تقدم تقنيات اكتساب الإشارات الكهربية الحيوية متعددة القنوات، المدعوم بتقنيات التصنيع الدقيق، بجمع بيانات فسيولوجية مفصلة، مما يعزز فهم الكهرباء الحيوية للأنسجة ويحسن التشخيصات السريرية.
تناقش الورقة القيود المفروضة على الطرق التقليدية التي تستخدم قطبًا واحدًا أو عددًا قليلًا من الأقطاب في التقاط تعقيد تنشيط العضلات وتؤكد على الحاجة إلى أقطاب متعددة القنوات ومنخفضة الضوضاء. تقدم جهاز لاصق جاف جديد من الإبر الدقيقة متعددة القنوات قادر على التسجيل غير المؤلم للإشارات الكهربية الحيوية تحت الجلد. لا يحقق هذا الجهاز دقة زمنية ومكانية عالية فحسب، بل يقلل أيضًا من مقاومة الاتصال بين القطب الكهربائي والجلد من خلال اختراق الطبقة القرنية دون الوصول إلى الأنسجة الأعمق. تُظهر التحقق من خلال المحاكاة والتجارب الحية فعالية الجهاز في جمع إشارات ECG وEMG وEEG عالية الجودة، متفوقًا على مصفوفات الأقطاب الكهربائية المسطحة التقليدية. تشير النتائج إلى أن هذه التكنولوجيا تحمل وعودًا لتطبيقات في واجهات الدماغ-الكمبيوتر ومراقبة الإشارات العصبية.
طرق
في هذه الدراسة، تم تسجيل الإشارات الكهربية الحيوية من الحيوانات التجريبية من خلال سلسلة من التقنيات الجراحية الدقيقة والتحفيز الكهربائي. تم إجراء شق بطول حوالي 2 سم على الجانب الخلفي من الساق لكشف العصب الوركي، والذي تم ربطه بعناية باستخدام قطب كهربائي مزدوج الخطاف (KD-BHE، شركة كودو لتكنولوجيا الآلات الدماغية المحدودة). ضمنت هذه الطريقة عدم تلامس القطب الكهربائي مع الأنسجة العضلية المجاورة، مما يقلل من التداخل أثناء تسجيل الإشارة.
لتسهيل تحفيز العصب الوركي، تم استخدام جهاز تحفيز كهربائي مزدوج القناة (شركة هانغتشو نوانشينجيا للتكنولوجيا الإلكترونية المحدودة) لتوصيل نبضات كهربائية مربعة الشكل عبر الأقطاب الكهربائية ذات الخطاف المزدوج. لضمان سلامة التسجيلات الكهربية الحيوية، تم استخدام شريط طبي لتثبيت مصفوفة الأقطاب الدقيقة متعددة القنوات (MMA) على الجلد، وكانت الأقطاب القياسية Ag/AgCl (LT-302، شركة شنغهاي ليتو للأجهزة الطبية المحدودة) تعمل كأقطاب مرجعية وأرضية طوال التجربة. سمح هذا النهج المنهجي بتسجيلات دقيقة وموثوقة لنشاط الأعصاب.
نتائج
تتناول قسم النتائج تصنيع وتقييم أداء مصفوفة الإبر الدقيقة (MMA) المصممة لاكتشاف إشارات تخطيط العضلات (EMG). تم بناء الـ MMA باستخدام لوحة دائرة مرنة مزدوجة الجوانب تحتوي على 32 وسادة لحام، كل منها بها ثقب مركزي بقطر 250 ميكرومتر لإدخال الإبر الدقيقة. شمل عملية التصنيع قطع رقائق النحاس، والثقب، والتصفيح الكهربائي، وتطبيق طبقة عازلة من البوليimid (PI)، تليها الطلاء بالذهب لتعزيز التوافق الحيوي. تم لحام الإبر الدقيقة، المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ والمعدلة بطبقة من الذهب، بنجاح إلى الوسادات، مما يضمن المحاذاة الرأسية ومسارات كهربائية مستقلة لتسجيل الإشارة.
أظهرت الاختبارات الميكانيكية قدرة الـ MMA على اختراق جلد الخنزير، مما أنشأ مسامًا دقيقة بقطر حوالي 200 ميكرومتر، مع عمق اختراق يبلغ حوالي 500 ميكرومتر. أظهرت المحاكاة باستخدام COMSOL Multiphysics تركيزات إجهاد كبيرة أثناء إدخال الإبر الدقيقة، حيث وصلت الضغوط القصوى إلى 3 ميغاباسكال. أظهر الـ MMA أداءً كهربائيًا متفوقًا مقارنة بالأقطاب الكهربائية المسطحة التقليدية (FEs)، حيث كانت مقاومة الجلد للقطب الكهربائي للـ MMA أقل بمقدار مرتين من تلك الخاصة بـ FE. أدت هذه المقاومة المنخفضة، جنبًا إلى جنب مع قدرة الـ MMA على اختراق الطبقة القرنية، إلى تحسين جودة الإشارة وتقليل التداخل من ظروف سطح الجلد. نجح نظام اكتساب الإشارات الكهربية الحيوية متعدد القنوات (MESAS) في التقاط ومعالجة إشارات EMG، مما يظهر إمكانية الـ MMA لتطبيقات المراقبة في الوقت الحقيقي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير جهاز مصفوفة إبر دقيقة (MMA) جديدة، تحتوي على 32 قناة مستقلة على لوحة دائرة مرنة، مما يمكّن من اكتساب الإشارات الكهربية الحيوية بكفاءة. شمل عملية التصنيع معالجة بالليزر لإبر الفولاذ المقاوم للصدأ، تليها الطلاء بالذهب والتكامل مع لوحة دائرة مرنة. تم تصميم الإبر الدقيقة لاختراق الطبقة القرنية (SC) للجلد، مما يسهل الاتصال المباشر مع السائل بين الخلايا ويقلل بشكل كبير من مقاومة الجلد للقطب الكهربائي، مما يعزز كفاءة اكتساب الإشارة.
أظهرت النتائج التجريبية قدرة الـ MMA على تسجيل إشارات تخطيط القلب (ECG)، وتخطيط العضلات (EMG)، وتخطيط الدماغ (EEG) في نموذج الأرنب في وقت واحد. ومن الجدير بالذكر أن إشارات EEG التي تم الحصول عليها من الإبر الدقيقة أظهرت جودة متفوقة مقارنة بتلك المسجلة باستخدام الأقطاب الجافة المسطحة التقليدية. تشير هذه التطورات إلى أن الـ MMA يمكن أن تحسن بشكل فعال جودة التسجيلات الكهربية الحيوية عبر الجلد، مما يقدم نهجًا واعدًا لجمع البيانات بكفاءة عالية في تكنولوجيا واجهات الإنسان-الآلة وتطبيقات محتملة في تشخيصات الكهرباء الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-024-00702-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38828404
Publication Date: 2024-05-31
Author(s): Zhengjie Liu et al.
Primary Topic: Neuroscience and Neural Engineering
Overview
The research presents a novel multichannel microneedle array (MMA) device, featuring 32 independent channels, designed for the painless transdermal recording of electrophysiological signals such as electroencephalography (EEG), electrocardiogram (ECG), and electromyography (EMG). Utilizing a dimensionality reduction fabrication approach on a flexible circuit board, the MMA effectively penetrates the stratum corneum, significantly reducing electrode-skin impedance and enhancing signal acquisition efficiency. This device allows for high-throughput data collection from multiple locations, achieving high temporal and spatial resolution comparable to that of single microneedle recordings.
Experimental results demonstrated the MMA’s capability to accurately capture and distinguish the spatial distribution of ECG, EMG, and EEG signals in live rabbit models. Notably, the microneedle electrodes exhibited superior signal quality for EEG recordings compared to conventional flat dry electrode arrays. This advancement not only enhances the potential for improved diagnostic accuracy in electrophysiological assessments but also offers promising applications in neural interface technology and the development of tools for monitoring electrophysiology-related diseases.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of detecting electrophysiological signals, such as electroencephalogram (EEG), electrocardiogram (ECG), and electromyogram (EMG), for understanding bioelectric signal generation and transmission in biological tissues. These signals are crucial for diagnosing and monitoring various diseases, particularly in neuromuscular systems where EMG signals can provide insights into muscle activity and nerve injuries. The advancement of multichannel electrophysiological signal acquisition technologies, facilitated by microfabrication techniques, allows for the collection of detailed physiological data, enhancing the understanding of tissue electrophysiology and improving clinical diagnostics.
The paper discusses the limitations of traditional single or few-electrode methods in capturing the complexity of muscle activation and emphasizes the need for multichannel, low-noise electrodes. It introduces a novel multichannel microneedle dry electrode patch device capable of painless transdermal recording of subcutaneous electrophysiological signals. This device not only achieves high temporal and spatial resolution but also reduces electrode-skin contact impedance by penetrating the stratum corneum without reaching deeper tissues. Validation through simulations and in vivo experiments demonstrates the device’s effectiveness in collecting high-quality ECG, EMG, and EEG signals, outperforming conventional flat electrode arrays. The findings suggest that this technology holds promise for applications in brain-computer interfaces and neural signal monitoring.
Methods
In this study, electrophysiological signals were recorded from experimental animals through a series of precise surgical and electrical stimulation techniques. An incision of approximately 2 cm was made along the posterior side of the leg to expose the sciatic nerve, which was then carefully hooked using a double-hooked electrode (KD-BHE, Kodou Brain Machine Technology Co., Ltd.). This method ensured that the electrode did not come into contact with adjacent muscle tissue, thereby minimizing interference during signal recording.
To facilitate the stimulation of the sciatic nerve, a dual-channel electrical stimulator (Hangzhou Nuanxinjia Electronic Technology Co., Ltd.) was employed to deliver square-wave electrical pulses via the double-hook electrodes. For the integrity of the electrophysiological recordings, medical tape was utilized to secure the multi-channel microelectrode array (MMA) to the skin, and standard Ag/AgCl electrodes (LT-302, Shanghai Litu Medical Devices Co., Ltd.) served as the reference and grounding electrodes throughout the experiment. This methodological approach allowed for accurate and reliable recordings of nerve activity.
Results
The results section details the fabrication and performance evaluation of a microneedle array (MMA) designed for electromyography (EMG) signal detection. The MMA was constructed using a double-sided flexible circuit board featuring 32 solder pads, each with a central hole of 250 μm diameter for microneedle insertion. The fabrication process involved cutting copper foil, drilling, electroplating, and applying a polyimide (PI) insulating layer, followed by gold plating to enhance biocompatibility. The microneedles, made of stainless steel and modified with a gold layer, were successfully soldered to the pads, ensuring vertical alignment and independent electrical pathways for signal recording.
Mechanical testing demonstrated the MMA’s ability to penetrate pig skin, creating micropores approximately 200 μm in diameter, with a penetration depth of around 500 μm. Simulations using COMSOL Multiphysics indicated significant stress concentrations during microneedle insertion, with peak stresses reaching 3 MPa. The MMA exhibited superior electrical performance compared to traditional flat electrodes (FEs), with measured skin-electrode impedance of the MMA being two orders of magnitude lower than that of the FE. This lower impedance, along with the MMA’s ability to penetrate the stratum corneum, resulted in improved signal quality and reduced interference from skin surface conditions. The developed multichannel electrophysiological acquisition system (MESAS) effectively captured and processed the EMG signals, demonstrating the MMA’s potential for real-time monitoring applications.
Discussion
In this study, a novel microneedle array (MMA) device was developed, featuring 32 independent channels on a flexible circuit board, enabling efficient electrophysiological signal acquisition. The fabrication process involved laser machining of stainless steel needles, followed by gold plating and integration with a flexible circuit board. The microneedles were designed to penetrate the stratum corneum (SC) of the skin, facilitating direct contact with interstitial fluid and significantly reducing skin-electrode impedance, which enhances signal acquisition efficiency.
Experimental results demonstrated the MMA’s capability to simultaneously record electrocardiogram (ECG), electromyogram (EMG), and electroencephalogram (EEG) signals in a rabbit model. Notably, the EEG signals obtained from the microneedles exhibited superior quality compared to those recorded using conventional flat dry electrodes. This advancement suggests that the MMA can effectively improve the quality of transdermal electrophysiological recordings, offering a promising approach for high-throughput data acquisition in human-machine interface technology and potential applications in electrophysiology-related diagnostics.