Беспроводные наушники для отслеживания мозга и тела

Беспроводные наушники для отслеживания мозга и тела крутой гаджет для современных техно-гиков

Процесс изготовления прототипа вкладыша для уха, на котором показаны нанесенные сенсоры (средняя часть), соединенные с гибкой печатной платой (верхняя часть), и смонтированные с внешней стороны вкладышей в оптимальной области сборки сенсоров (нижняя часть) с двусторонним медицинским скотчем. ¶ Кредит: Университет Калифорнии, Сан-Диего

Когда вкладыши помещаются в звуковод уха, они находятся в непосредственной близости к мозгу, что позволяет записывать высококачественные нейральные сигналы, известные как электроэнцефалография (ЭЭГ), в нетревожной форме, согласно профессору Рикки Мюллер, со-директору Центра исследований беспроводной связи Беркли и награжденной стипендией Фонда Бакара за ее работы по технологии Ear EEG, метода измерения динамики активности мозга через мельчайшие изменения напряжения, наблюдаемые на коже.

“Эарбады с использованием ЭЭГ обладают огромным потенциалом; на самом деле, глобальный рынок умных вкладышей для ушей растет быстрее, чем рынок других носимых устройств, включая умные часы “, – сказал Мюллер. “Внутренняя часть слухового канала находится уникально близко к мозгу, глазам и лицевым мышцам, что позволяет записывать движения глаз и челюстей, а также ЭЭГ. Комбинация этих сигналов позволит контролировать сонливость, сон, судороги, деменцию и многое другое.”

В компании-стартапе Google X под названием NextSense готовятся к выпуску на рынок медицинских устройств вкладыши с функциями записи ЭЭГ. Глава и основатель компании NextSense Джонатан Берент говорит: “Наши вкладыши находятся ближе к височной доле мозга, которая является важной областью для речи и слуховой обработки. В результате NextSense надеется контролировать условия, такие как травматические повреждения головного мозга, нарушения сна и эпилептические приступы, а также предвосхищать начало нейродегенеративных заболеваний, таких как инсульт, болезни Альцгеймера и Паркинсона.”

NextSense проводит клинические испытания с использованием электроэнцефалографии в ушном канале для диагностики и контроля нарушений сна и эпилепсии с 2019 года. Берент предсказывает, что результаты этих испытаний будут опубликованы в рецензируемых журналах в 2024 году.

В Университете Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) в лаборатории профессора Герта Каувенбергса по биомедицинской инженерии публикуется в рецензируемых журналах их пионерская работа по обнаружению множества сигналов, доступных в слуховом канале. Кроме ЭЭГ-данных из мозга, лаборатория Каувенбергса исследует отслеживание активности мышц (с использованием электромиографии, или ЭМГ), проводимости кожи (с использованием электродермальной активности, или ЭДА), движений глаз (с использованием электроокулографии, или ЭОГ), а также частоты пульса сердца, насыщения крови кислородом и множества химических биомаркеров, выделяемых потом для возможного включения в будущие медицинские вкладыши для ушей.

“Наша задача – создать диагностический стандарт для всех состояний мозга / тела, которые можно обнаружить в слуховом канале, превратив вкладыши для ушей в мощное устройство для считывания сигналов мозга / тела”, – сказал Каувенбергс.

Группа исследователей Герта Каувенбергса в UC San Diego недавно продемонстрировала первый в мире прототип принципиального вкладыша для ушей, показывающий, как слуховой канал может контролировать как электрические, так и химические биомаркеры. Текущие прототипы вкладышей одновременно контролируют электрическую активность (ЭЭГ, ЭМГ, ЭДА и ЭОГ), а также уровень химических биомаркеров (конкретно, уровень лактата в поту). Во время интенсивного упражнения (на стационарном велосипеде) приборы контроля обнаружили и записали прямую связь между повышенным уровнем лактата в поту и модуляцией электрической активности. Таким образом, исследователи доказали концепцию того, что мониторинг метаболических и электрических биомаркеров в ухе может быть освобожден от громоздкого оборудования и анализов крови, выполняемых медицинскими лабораториями в настоящее время. Параллельные электрические и химические датчики, по словам Каувенбергса, могут быть скоррелированы умными вкладышами для ушей во время непрерывного мониторинга здоровья, диагностики и даже терапии.

Наушники уже широко используются смартфонами, и прототип лаборатории Кауенбергса воспользовался этим, добавив электрические и биохимические датчики к готовому набору наушников. Первый шаг заключался в определении идеальных мест для каждого электрода датчика на внешней стороне коммерческого наушника. После завершения этой компоновки и вырезания трафарета команда использовала перекрывающий печатный станок для нанесения активных слоев на гибкую терефталатную полиуретановую базу (ТПУ) толщиной 150 микрон.

Проводящие следы, нанесенные зигзагообразным образом для гибкости, использовали серебро (Ag) в качестве чернил, затем следы были закрыты слоем изоляции (кроме концов, где датчики получили усиленный слой Ag). Биохимические следы были нанесены и усилены гидрогелевым слоем, который улучшает сбор пота. Для химического измерения используется каталитически усиленная электрохимическая хроноамперометрия (CA), которая генерирует сенсорный ток, пропорциональный концентрации лактата в поте.

Для прототипа гибкая база, на которой были размещены электрические и биохимические датчики, прикреплялась с внешней стороны готовых наушников так, чтобы их электроды касались наружной части ушного канала в предварительно определенных идеальных позициях. Для производства электроника для обнаружения напряжений ЭЭГ и тока CA будет встроена в наушники, но для прототипа электроника была установлена во внешней виде. Группа уже показала в предыдущих работах, что необходимая электроника помещается в наушник, используя при этом специальную 65-нанометровую КМОП-микросхему, потребляющую всего 0,8 микроватт.

Команда Университета Калифорнии в Сан-Диего стремится закрыть цикл обратной связи от сигналов диагностики выводимых из мозга, откликающися на них звуковыми терапевтическими воздействиями. “Нашим следующим шагом является клиническая проверка большой группы пациентов, применение большого числа носимых диагностических и терапевтических приложений на базе наших наушников”, – сказал Кауенбергс.

Цель диагностики Калифорнийского университета в Сан-Диего заключается в контролировании взаимодействия между показаниями биоэлектродов ушных наушников, жизненными показателями и химическими биомаркерами в реальных условиях, сопоставляя электрические показатели мозговой активности с химическими биомаркерами организма.

Терапевтическая цель, по словам Ючена Сю, бывшего постдоктора научного сотрудника, работавшего над проектом в университете Калифорнии в Сан-Диего, и нынешнего научного сотрудника компании Aizip, заключается в том, чтобы способствовать улучшению функции мозга путем усиления нейропластичности (формирования новых синапсов) и ангиогенеза (формирования новых сосудов). Путем использования цикла обратной связи, когда мониторится активность мозга/тела, а затем применяется соответствующее стимулирование с умными наушниками, рассчитывается достичь конечной цели – диагностировать состояние мозга/тела, изучить терапевтический эффект, а затем предоставить обратную связь с помощью наушников для улучшения состояния мозга/тела.

“План заключается в измерении состояния мозга/тела человека, а затем узнать, какая обратная связь поможет ему почувствовать себя лучше”, – сказал Сю.

Например, медицинские состояния, такие как тиннитус, могут быть лечены путем умного закрытия цикла обратной связи соответствующими звуками, подаваемыми в наушники. Даже сердечно-сосудистые заболевания могут быть уменьшены с помощью звуковой терапии наушниками, согласно Кауенбергсу. Точно так же нарушения сна могут воспользоваться закрытием цикла обратной связи звуками, которые стимулируют соответствующие мозговые волны.

“Глубокий сон является одной из недооцененных причин плохого здоровья по мере старения людей, и нет лучшего способа улучшить его, чем воспроизведение звуков, способствующих глубокому сну”, – сказал Кауенбергс. “Также возможно воздействовать на мозг таким образом, чтобы он приносил больше приятных ощущений в бодрствующем состоянии”.

Например, автономная сенсорная меридиональная реакция ( ASMR ) – это популярный релаксационный метод, который воспроизводит слышимые “триггеры” для снятия стресса и создания положительных ощущений. ASMR сегодня основан на открытом цикле обратной связи: поиск облегчения требует применения метода проб и ошибок среди более чем 25 миллионов звуковых дорожек ASMR, доступных онлайн. Но с использованием умных наушников для закрытия цикла обратной связи алгоритм может научиться воспроизводить идеальные триггеры для каждого конкретного человека, согласно Кауенбергсу.

Р. Колин Джонсон является лауреатом премии Киото, работавшим в качестве технологического журналиста ​двадцать лет.