摘要
在过去的十年中，无创脑机接口（BCI）已经在许多方面有了广泛的研究。为了拓宽脑机接口技术的实际应用，开发具有高电导率、长期有效性和生物相容性等先进特性的脑电图（EEG）采集电极至关重要。在这项研究中，我们开发了一种银纳米线/PVA 水凝胶/三聚氰胺海绵 (AgPHMS) 半干脑电图电极，用于长期监测脑电图信号。得益于 PVA 水凝胶的储水能力，在使用中，电解质溶液可以持续释放到头皮-电极界面。电解质溶液可渗入角质层，使头皮-电极阻抗降至10 k Ω -15 k Ω。柔性结构使电极具有机械稳定性，可以增加佩戴舒适度，减少头皮-电极的间隙以降低接触阻抗。因此，基于运动起始视觉诱发电位 (mVEP) 测量的长期 BCI 应用表明，新电极的 3 小时 BCI 准确度（77% 至 100%）与传统电极的准确度大致相同。在第一个小时内由导电凝胶支撑电极。此外，基于新型电极的BCI系统可以在头皮上保持10小时的低接触阻抗，大大提高了BCI技术的能力。
1. 简介
人与计算机之间的通信需求日益增加[ 1-3 ]。脑机接口（BCI）是一种基于大脑产生的神经活动的交流技术，独立于大脑周围神经和肌肉的正常输出通路；BCI 是一种无需使用键盘和鼠标等传统人机交互设备的新型通信渠道[ 4-8 ]。通过收集和分析脑电图 (EEG) 信号，BCI 系统提供对大量实时大脑信息的访问，包括大脑活动和精神状态 [ 9 - 11]。由于 BCI 系统具有实时交互、准确性和独立运动等诸多优点，因此人们对 BCI 系统的实际应用（图1（a））寄予厚望，包括在医疗康复中的应用[ 12- 15 ]、睡眠监测[ 16-18 ] 、驾驶[ 19-23 ]、打字[ 24-28 ]。
图1
(a) BCI 应用示意图：医疗康复、打字、睡眠监测和驾驶。(b) 使用带针头的注射器对受试者进行 Ag/AgCl 常规电极的凝胶注射过程，以降低电极和头皮之间的接触阻抗。(c) 使用湿电极后，大量导电凝胶粘在头发和电极帽上。(d) 干电极帽。(e) 在头皮上使用 AgPHMS 半干电极的示意图，低阻抗角质层有利于信号传输。
为了保证脑电图的实用性，一个合适的电极需要具备许多关键特性，例如易于安装和清洁、具有长期有效性和高导电性、佩戴舒适和生物相容性[ 29 ]。在许多 BCI 应用或研究中，商业干电极和湿电极已被广泛用于收集 EEG 信号 [ 30 , 31 ]。然而，由于接触阻抗高，商业干电极不能用于一些需要高质量信号的应用中。并且电极顶部的爪子使用户感到不舒服，这也阻碍了商业干电极的普及（图1（b））[ 32-34]。得益于足够低的阻抗 (
为了实现长期 BCI 应用，需要具有低接触阻抗的长效 EEG 电极。最近，许多研究集中在如何制备长效电极上。目前，半干式电极是公认的能够同时满足低阻抗和耐久性需求的电极。半干电极结合了湿电极和干电极的优点，成为脑电信号采集电极的新研究热点[ 43 – 46]。通常，半干电极中的电解质体积明显小于用于湿电极的导电凝胶。使用如此少量的电解质，半干电极可以浸润角质层并降低电极与头皮的接触阻抗。半干电极中的电解质是液体，而不是湿电极中的凝胶 [ 47 – 49]。因此，在设计半干式电极时，可以通过增加储水量来提高半干式电极的耐久性，满足一些长期BCI应用对长寿命电极的需求。
但是，半干电极仍然存在一些必须解决的问题。为保证结构的稳定性，具有微孔和水箱结构的半干式电极是刚性的。这会导致类似于佩戴商用干电极的不适感，并且头皮-电极接触面较小也会导致接触阻抗相对较高。最具挑战性的问题之一是控制电解质向头皮的释放速度。如果电解质释放得太慢，角质层的电阻就会增加。相比之下，释放过快会造成信号通道间短路。因此，非侵入性脑机接口系统迫切需要一种制备工艺简单、电导率高、机械和电化学稳定性好、使用寿命长、电解质持续释放能力好的无凝胶电极。
在此，我们报告了一种用于非侵入性 BCI 系统的灵活、经济高效、大规模生产、坚固、可控释放的电解质和持久的银纳米线/PVA 水凝胶/三聚氰胺海绵 (AgPHMS) 半干电极。在水凝胶前体溶液中，我们混合了 NaCl/甘油水溶液。由于 PVA 水凝胶的储水和释液能力，电解液可以连续可控地释放到头皮-电极界面。受益于控释效应，角质层阻抗和接触阻抗可以长时间保持在较低的值，而不会有相邻通道之间发生短路的风险。通过低阻抗头皮传输的脑电信号质量高，有助于终端设备更准确地分析大脑活动（图1 (e))。此外，电解液释放缓慢，无需特殊的储液或输液结构；这增加了电极的稳定性，降低了电极的成本和组装难度。此外，新电极显示出高导电性、良好的柔韧性以及显着的电化学和机械稳定性，这对于长期无创BCI系统的广泛应用备受期待。
2. 结果与讨论
2.1 AgPHMS 的制备、微观形貌和元素分析
一种新的 EEG AgPHMS 半干电极包括部分金属化的 PVA 水凝胶和金属化的海绵。PVA 水凝胶前体在设计的 3D 打印模具中交联，以制备特定形状的部分金属化水凝胶（图2（a））。部分金属化 PVA 水凝胶的制备过程如图2所示(b)。首先，将银纳米线 (AgNW) 溶液滴入模具中。溶剂完全蒸发后，模具表面有一层银膜。然后，将 PVA 水凝胶前体滴入模具中，并通过循环冷冻和解冻将其交联。在交联过程之前，将氯化钠和甘油溶液添加到水凝胶前体中，以更有效地降低水凝胶中释放的电解质对角质层的电阻。最后，将交联的 PVA 水凝胶从模具中取出，得到部分金属化的 PVA 水凝胶。根据我们之前的工作，[ 29] 在真空处理步骤中，将商业三聚氰胺海绵完全浸入预制的 AgNW 和聚乙烯醇缩丁醛 (PVB) 溶液中，以制备金属化海绵。干燥后，得到金属化海绵（图2（c））。组装金属化水凝胶和海绵以制成完整的电极（图2（d））。如冻干金属化水凝胶的 SEM 图像所示，AgNWs 是相互连接的，AgNWs 被一层薄薄的 PVA 水凝胶保护；这确保了部分金属化水凝胶的高导电表面和耐用性（图2 (e) –2（G））。具有大纵横比的 AgNW 可以包裹海绵骨架，确保金属化海绵的高导电性和机械稳定性（图2 (h) -2 (j)）。图2 (k) 显示了冷冻干燥的金属化水凝胶和没有金属化的水凝胶的 XRD 谱。因为 NaCl 在冷冻干燥过程中结晶，除了银峰 (PDF#04-0783) 之外，光谱中还有 NaCl 峰 (PDF#05-0628)。金属化水凝胶的 X 射线光电子能谱 (XPS) 结果显示出金属银和 PVA 的特性，表明高度金属化的表面被 PVA 聚合物涂层固定和保护。Ag 3d 的峰由 367.5 eV 和 373.5 eV 的两个金属峰组成（图2(l)) [ 50 ]。在 C 1s 光谱中，PVA 有两个单独的峰：未氧化的碳（C-C 或 C-H）和具有一个氧键的碳（C-OH 或 C-O-）（图2 (m)）[ 51 ]。具有金属化表面的冻干 PVA 水凝胶在 25°C 至 850°C 以每分钟 10°C 的温度下的热重 (TG) 结果（图2 (n)）证明具有金属化表面的 PVA 水凝胶在温度升高时具有热稳定性低于 100°C。金属化海绵的XRD（图S1）、XPS（图S2）、TGA 和差热分析（图S3）表明海绵是金属化的并且是热稳定的。
图 2
(a) 3D 打印模具结构示意图。(b) 部分金属化 PVA 水凝胶的制备过程。(c) 金属化三聚氰胺海绵的制造过程。(d) AgPHMS 半干电极的结构示意图。(e-g) 金属化 PVA 水凝胶的 SEM 图像。(h-j) 金属化三聚氰胺海绵的 SEM 图像。(k) 金属化 PVA 水凝胶和水凝胶基材的 XRD光谱。(l) 在金属化 PVA 水凝胶上进行的 Ag 3d 的 XPS 峰分化模拟分析。(m) C 1s 的 XPS 峰分化模拟分析，在金属化 PVA 水凝胶上进行。(n) 金属化 PVA 水凝胶的 TGA（红色）和差热分析（蓝色）。
2.2 AgPHMS 半干电极的机械和电化学稳定性
为了测试和使用新的 AgPHMS 半干电极，我们设计并制作了一个空心螺纹外壳支架（图3 (a)）。电极可以固定在一个圆柱形孔中，只露出顶部，可以在测试设备和EEG电极帽上进一步装上空心螺钉。外壳确保使用过程中的稳定性，并防止水凝胶中的电解质快速挥发到空气中。通过压缩和释放新电极来测试新电极的机械性能（图3 (b) 和3 (c)）。由于电极在 PLA 塑料外壳中，几乎整个电极在 15% 压缩下被压入外壳中，我们测试了电极在 5%、10% 和 15% 压缩下的应力-应变曲线（图3(d))。当压缩为15%时，整个电极被压入壳内，此时电极的应力为2.2 N。5%和10%时电极的应力分别为0.5 N和1.0 N，即表明电极柔软且佩戴舒适。电性能是用于信号记录的 EEG 电极的关键特性。根据线性扫描伏安法 (LSV) 结果，当电极被压缩时， 由于金属化海绵上的银密度同时增加，电阻从 28 Ω降低到 17 Ω （图3(e))。每次压缩下，电压和电流都保持良好的线性关系，证明脑电信号在传输过程中不会发生电化学反应。CV曲线在500个电位循环期间保持稳定，这表明电极的电化学特性在EEG信号采集期间将保持稳定（图3（F））。由于电极在组装和使用过程中可能会受到压缩，因此对电极进行了反复压缩实验，以测试其长期的机械稳定性和柔韧性。在压缩比为 10% 的情况下，经过 500 次循环后电极的自阻抗变化不超过 2.5%。在更极端的条件下，电极的自阻抗在压缩比为 5% 时变化不超过 3.5%，在压缩比为 15% 时变化不超过 7%（图3（g））。为了研究压缩水凝胶的受力细节，使用有限元分析在计算机上模拟压缩状态。在电极-头皮界面处，压力不超过 15 KPa，压缩率为 10%（图3 (h) –3(j))，这对于该电极的用户来说是舒适的。
图 3
(a) 半干电极和空心螺旋结构外壳。(b) 压缩和 (c) 释放下的机械稳定性测试设置的照片。(b) 和 (c) 中的比例尺为 2 厘米。(d) AgPHMS 半干电极在 5%、10% 和 15% 压缩下的应力-应变曲线。(e) AgPHMS 半干电极在不同压缩值下的线性扫描伏安法 (LSV) 结果。(f) 在 AgPHMS 半干电极上进行 500 次 CV 循环。(g) 5%、10% 和 15% 压缩的 500 次压缩循环测试中 AgPHMS 半干电极阻抗的变化（每次压缩）。(h) 10% 压缩的有限元模拟结果透视图。沿 (i) -轴截面和 (j) -轴截面的视图是 10% 压缩的有限元模拟结果。
2.3 BCI 应用和生物相容性
对于 BCI 应用，三小时运动起始视觉诱发电位 (mVEP) 实验根据两种情况进行：使用传统湿电极和使用 AgPHMS 半干电极。受试者的原始脑电信号首先用放大器记录在 8 通道电极帽上；脑电信号通过 Wi-Fi 发送到终端计算机。参与者通过查看计算机显示器上包含 26 个英文字母“AZ”和 10 个阿拉伯数字“0-9”的虚拟键盘输入短语“THU HELLO WORLD”。在虚拟键盘的每个符号上，都有一条以特定频率横穿的垂直线；这刺激了受试者的特定脑电图信号。通过分析信号的特征，可以在计算机上映射出被摄体正在看的字符（图4(a)、图S4和补充视频 1)。对于每个场景，参与者在三个小时内重复了 8 次打字实验。在实验过程中，我们统计了打字结果的准确性和阻抗来评估电极的性能。在第一个小时内，AgPHMS 半干电极的平均精度为 86.5%，而在第三个小时，该值下降了 6% 至 81%，这意味着使用 AgPHMS 半干电极的 BCI 系统可以在长时间内保持高精度。术语 mVEP 实验。基于湿电极的 BCI 系统在第一个小时内的准确度（92.5%）略高于基于 AgPHMS 半干电极的 BCI 系统。在第三个小时内，使用湿电极的受试者的准确率下降了 34% 至 61%，（图4 (b))。在 mVEP 实验过程中，记录了每个通道的系统阻抗数据。AgPHMS 半干电极 BCI 系统的阻抗稳定在 8 ~ 14 k Ω，在这三个小时的实验中，每个通道的阻抗变化率小于 40%（图4（c）和图S5a） . 在第一个小时内，湿电极 BCI 系统的阻抗为 5 ~ 14 k Ω，与 AgPHMS 半干系统的阻抗相同。从第二个小时开始，一些湿电极通道如P8、O1、O2、Oz的阻抗都有增加的趋势，第三个小时增加的幅度明显增加（图4(d))。湿电极 BCI 系统的最大阻抗变化率达到 2200%，这可归因于湿电极中水分的挥发（图S5b）。通过通道 P7 和 P8 的 10 小时阻抗记录，AgPHMS 半干电极 BCI 系统的阻抗稳定在 6 ~ 8.5 k Ω，这表明该 AgPHMS 半干电极可用于超长期 BCI 实验（图4 (e))。根据稳态视觉诱发电位 (SSVEP) 数据定义抗干扰指数（图S6）。AgPHMS半干电极BCI系统的抗干扰性能稳定在-16~-25。湿电极BCI系统的抗干扰在第一小时为-23至-28，第二小时为-25至-44，第三小时为-35至-57。总的来说，AgPHMS 半干电极 BCI 系统的抗干扰能力在这三个小时的 SSVEP 实验中越来越低（图4（F））。我们发现抗干扰和阻抗在两个场景实验中表现出相似的趋势。结果，湿电极系统的精度随着阻抗的降低而降低，而 AgPHMS 半干电极 BCI 系统的精度保持不变。出色的 AgPHMS 半干电极可以缓慢释放电解质。在佩戴 10 小时期间，PVA 水凝胶持续释放约 5.6 wt% 的电解质，可不断渗入角质层，作为脑电信号增益的离子导电剂，以补充 AgNWs 的电子传导（图4 ）（G））。电解质可以确保BCI系统在使用过程中的低接触电阻。我们将电极浸泡在电解质中 10 小时，以测试银纳米线和水凝胶组合在充满 NaCl/甘油水溶液电解质的环境中的稳定性。如图4（h）所示，电解液中没有银脱落，这是电极在长期使用过程中保证导电性和生物安全所必需的。使用湿电极后，很多导电凝胶粘在头发上，但使用 AgPHMS 半干电极就没有这个问题了（图S7）。为了测量 AgPHMS 半干电极的生物相容性，我们使用两组对称排列的电极对两只大鼠进行了为期 7 天的贴片测试：两个 AgPHMS 半干电极和两个传统的 Ag/AgCl 凝胶电极（图4（i ) 和4 (j))。将两种电极贴在大鼠皮肤上 7 天，在贴附部位没有出现不良反应，包括红斑或并发症（图4（k））。电解质浸泡和生物相容性测试结果表明，AgPHMS 半干电极与皮肤相容，适合长期脑电图监测。
图 4
(a) BCI 系统中 AgPHMS 半干电极 EEG 帽的脑映射并使用 mVEP 映射进行打字。(b) 使用 AgPHMS 半干电极和商用湿电极在第一小时和第三小时打字的准确性（每个电极）。(c) AgPHMS 半干电极系统在不同通道上的阻抗。(d) 商业湿电极系统在不同通道上的阻抗。(e) AgPHMS 半干电极系统的 10 小时阻抗数据。(f) AgPHMS 半干电极和商用湿电极的抗干扰指数。(g) 从 AgPHMS 半干电极释放电解质。(h) AgPHMS 半干电极浸入电解液时的银含量 (每个样本）。(i, j) 使用常规 Ag/AgCl 凝胶电极作为对照组的 AgPHMS 半干电极的生物相容性测试。(k) 7 天后，两项测试均未引发过敏反应。
3. 结论
在这项工作中，我们开发了一种具有成本效益、易于制造、灵活、坚固、无凝胶的生物相容性和无罐 EEG AgPHMS 半干电极，该电极具有可控释放的电解质和低阻抗，可以长期使用。该电极用于建立可靠的长效无创 BCI 系统。该电极利用其高柔韧性和可控释放的电解质，能够将 BCI 系统的阻抗保持在 5-15 k Ω超过10小时。我们展示了 AgPHMS 电极在八通道 BCI 系统和基于 mVEPs 的精神控制打字实验中的成功应用。MVEP 实验表明，AgPHMS 半干电极的准确度为 77%-100%，并且这种高精度可以保持 3 小时以上。作为长期（>10 小时）低阻抗的优势，AgPHMS 半干电极的精度可以长时间保持精度。新电极在长期 BCI 应用中具有巨大潜力。
4. 实验部分
4.1 材料
硝酸银(AgNO 3 , 99.8%)、氯化铜(CuCl 2 ·2H 2 O, AR)、氯化钠(NaCl, 99.5%)、乙醇(EG, 99.5%)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP,),聚乙烯醇缩丁醛 (PVB,)和聚乙烯醇 (PVA,)是从阿拉丁购买的。乙醇 (99.7%)、丙酮 (99.5%) 和甘油 (99.0%) 购自现代东方（北京）科技发展有限公司。三聚氰胺海绵和 3D 可打印聚乳酸 (PLA) 可商购。
4.2 AgNWs 的合成
所有试剂均未经进一步纯化而使用。0.8 克聚乙烯吡咯烷酮 (PVP,)和 1.0 g 硝酸银 (AgNO 3 ) 在磁力搅拌下依次溶解在 100 mL 无水乙醇 (EG) 中。将它们彻底溶解后，将1.6 mL制备好的CuCl 2 ·2H 2 O (3.3 mM) EG溶液快速注入混合物中并轻轻搅拌。然后将混合溶液浸入130℃预热的硅油浴中3小时。最后，在生长完成后，将所得溶液用丙酮和乙醇清洗 3 次，并以 3000 rpm 的转速离心 10 分钟。将得到的 AgNWs 分散在乙醇中，形成 100 mg/g AgNWs/乙醇混合溶液供进一步使用 [ 52 ]。
4.3 金属化三聚氰胺海绵的制备
在一个典型的过程中，使用圆柱形打孔机将三聚氰胺海绵冲压成一个高 2.5 厘米、直径 0.2 厘米的圆柱体。将 PVB (0.8 g) 溶解在 100 mL 乙醇中并在 80°C 下搅拌 40 分钟。自然冷却后，将 1.5 g 乙醇分散的 AgNWs (100 mg/g) 添加到混合物中并搅拌 10 分钟。然后将圆柱海绵浸入 AgNWs/PVB 溶液中，并在 2000 Pa 下进行真空处理 10 分钟。自然干燥后最终得到金属化三聚氰胺海绵。
4.4. 部分金属化NaCl-甘油-PVA水凝胶的制备
3D 打印 PLA 模具（图2(a)) 获得具有特定形状的水凝胶。将 1.5 g 乙醇分散 AgNWs (100 mg/g) 添加到 100 mL 乙醇中并搅拌 10 分钟。将 AgNW 溶液添加到模具中，直到模具中溶液的深度达到 6 mm。将其完全干燥直到模具中的乙醇完全挥发。将 PVA 粉末 (1 g) 添加到 5 mL 超纯水中并在 90°C 下剧烈搅拌以使其完全溶解。将 0.35 g NaCl 粉末 (0.35 g) 和甘油 (0.7 g) 添加到 1 mL 或超纯水中并剧烈搅拌以使其完全溶解。通过将 NaCl/甘油溶液与 PVA 溶液完全混合获得水凝胶前体。用水凝胶前体溶液填充模具后，我们将模具储存在 -20°C 以冷冻水凝胶前体，然后在 25°C 下将其解冻。经过三个冻融循环后，前体交联成水凝胶。从模具中取出水凝胶后，我们得到了一块部分金属化的水凝胶。将金属化海绵插入部分金属化水凝胶中间的孔中以获得AgPHMS电极。
4.5 AgPHMS 电极和脑电图帽的组装
AgPHMS 电极的外壳是一个 3D 打印的 PLA 空心螺钉（图3 (a)）。顶部螺钉可用于将电极固定在内部空间中，外壳可旋入电极帽上的螺母中。杜邦线用于将金属化海绵的末端连接到电极帽上的信号放大器。将导电银浆涂在杜邦线和海绵的接触面上。组装完成后，将十个 AgPHMS 电极放置在布脑电帽上的十个位置，包括 P7、P3、Pz、P4、P6、O1、Oz、O2 八个工作点，一个参考点 Ref，一个接地点接地。
4.6 微形态表征
使用具有 Cu K α辐射的 X 射线粉末衍射 (XRD) (D/max 2500, Rigaku, Japan) 收集 X 射线粉末衍射数据（ 一种）。使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，LEO-1530，Zeiss，Germany）记录微形态图像。X 射线光电子能谱仪（Escalab 250Xi，Thermo Fisher，America）配备 Al K α辐射源（1487.6 eV）和通过能量为 30.00 eV 的半球分析仪，用于获取表面元素信息。使用热重分析仪（STA 449 F3，Jupiter，Germany）进行热重分析（TGA）和差热重分析。使用 ICP-OES（iCAP 7600，Thermo Scientific，USA）测量元素浓度。
4.7 机械和电化学性能
使用带有负载传感器（Xforce HP 称重传感器，容量 1 kN）的机械测试机（Z1.0 TH，Zwick，Germany）测量 AgPHMS 的机械性能。AgPHMS 的机械稳定性在室温下进行评估，并使用通用材料试验机在循环压缩模式下进行测量。这与使用双电极系统的计算机控制的电化学工作站（CHI 660D，CH Instrument，China）相结合。使用计算机控制的电化学工作站（CHI 660D，CH 仪器，中国）记录 AgPHMS、循环伏安法 (CV) 和线性扫描伏安法 (LSV) 的电化学性质的测量。
4.8 有限元分析模拟
使用 COMSOL 中的力学模块执行 FEA 模拟。水凝胶的杨氏模量计算为 58.6 kPa。对于接触，在 AgPH 上施加 10% 的相对位移。
4.9 脑电信号采集
使用无线脑电图采集系统（NeuSen W，博瑞康，中国）收集脑电图信号。当使用湿电极时，将导电凝胶（GT5，Greentek，China）注入 Ag/AgCl 电极，直到阻抗低于 10 k Ω。
4.10 运动起始视觉诱发电位 (mVEP) 刺激范式
运动起始视觉诱发电位 (mVEP) 是一种成熟的非闪烁视觉 BCI 范例。mVEP 的原理是，在目标虚拟按钮内从右向左移动的条形可以唤起对受试者的视觉运动刺激。
对于 mVEP（运动起始视觉诱发电位）范例，视觉刺激呈现在 23 英寸液晶显示器上，分辨率为像素和 60 Hz 的刷新率在 50 厘米的观看距离。36个矩形虚拟按钮对应不同的字符（'A'到'Z'，'0'到'9'）。按钮排列成 6 列和 6 行（图S2）。
每个视觉运动刺激都是由一个移动的垂直条引起的。条出现在虚拟按钮的右边界（刺激开始）并在消失之前向左移动（屏幕上约 9.5 毫米，耗时 150 毫秒）。每个时期同时由一行/列中的六个刺激组成，两个时期之间的间隔为 50 ms。然后，十二个时期（键盘的六个行时期和六个列时期）形成一个试验，持续 2400 毫秒。在一次试验中，假设“Z”是参与的目标。当受试者盯着“Z”按钮时，第 5 行时期和第 2 列时期引发目标响应（称为 N200 或 mVEP）。
受试者参加了两次会议；一个离线，一个在线。在这两个会话中，受试者都被要求盯着目标虚拟按钮的中心。(1)在离线会话中，在每次试验之前，使用红色边框告知受试者哪个虚拟按钮是目标。然后，经过 60 次试验（对一个对角线上的每个字符重复 10 次，例如，'AHOV29'），数据被用来训练一个二元分类器来区分目标和非目标刺激(2)在在线会话中，受试者被指示按顺序输入短语“THU HELLO WORLD”。每个字符使用之前的二元分类器，然后根据目标刺激的时刻（行和列时代引发响应）返回目标按钮的值。当一个字符输入错误时，受试者被告知不要更正那个字符，而是继续下一个字符。在本次会议结束时，记录了错误输入的字符数以供进一步计算
该范例的软件是使用 Python（Python 软件基金会）和 Psychopy 开发的；我们之前的工作[ 53 ]详细阐述了这种范式的更多细节。
这两个疗程是使用两种不同类型的 EEG 电极进行的，传统的湿电极和半干电极。两种类型的电极均使用八个电极（P7、P8、P3、P4、Pz、O1、O2 和 Oz）覆盖枕叶和顶叶区域，分别选择电极 CPz 和 AFz 作为 REF 和 GND。对于传统的湿电极，所有电极的阻抗都降低到 10 K Ω。信号以 1000 Hz 采样。触发事件与刺激开始同时获得。
对于每种类型的电极，离线会话进行了 3 次。然后，选择性能最佳的分类器用于后续的在线会话。在线会话每15分钟进行3次，持续三个小时，并根据每次在线会话的结果计算准确性。准确率定义在等式（1）中，其中是每次错误输入的字符数，是每 15 分钟在线测试的重复次数，并且是每个会话中使用的字符总数。（在这种情况下，等于 3，等于 13。）
4.11 稳态视觉诱发电位 (SSVEP) 刺激范式和抗干扰指数
稳态视觉诱发电位 (SSVEP) 是大脑以与闪烁视觉刺激相同的频率自然产生的信号。这种范式是 BCI [ 54-57 ]最常用的技术之一。
上述相同的设备用于 SSVEP 刺激范例。一个长方形虚拟正方形像素被放置在具有黑色背景的监视器的中心，并且通过以特定频率在黑色和白色之间闪烁这个虚拟方块2秒来唤起每个稳态视觉刺激。（在这种情况下，该频率等于 10.5 Hz）。在稳态视觉刺激之后有 2 s 的休息期，正方形被替换为在此期间不闪烁的白色十字。每个时期由一个稳态视觉刺激和一个休息期组成，十个时期形成一个持续 40 秒的试验（图S4）。
这个范式是从我们之前的工作中修改的[ 58 ]。SSVEP 刺激显示软件是使用 MATLAB 和 Psychophysics Toolbox 版本 3 (PTB-3) 开发的。
对于两种类型的电极（传统的湿式电极和半干式电极），该范例涉及相同的主题。SSVEP 刺激范式的条件（电极位置、采样率和传统湿电极的电极阻抗）与之前的 mVEP 刺激范式相同。对于每种类型的电极，SSVEP 试验每 15 分钟进行 3 次，持续 3 小时，并获取数据以供进一步分析。
原始脑电图数据从稳态视觉刺激开始前 300 ms 到开始后 2000 ms 被数字分割为时期。将 -300 到 0 ms 范围内的数据设置为基线。然后，将基线校正应用于 2000 ms 时期。之后，应用 Welch 方法以 2000 ms 的时间分辨率和 0.5 Hz 的频率分辨率估计历元的功率谱密度（PSD）。最后，同时对所有时期的 PSD 值进行平均，以便进一步计算。（在这种情况下，15 分钟内进行了 3 次试验 ×10 次迭代。）
为了定量分析不同类型电极随时间变化的性能，将抗干扰指标定义为信号频率处的 PSD 值与电源线频率处的 PSD 值的比值。在这种情况下，它们分别为 10.5 Hz 和 50 Hz。抗干扰指数越高，性能越好。
4.12 生物相容性测试
将总共2只健康的雌性Sprague-Dawley大鼠（平均年龄和体重120天和210克）分为三组。这些动物被关在两个塑料笼子里，可以随意获取食物和水。大鼠麻醉后，将背部皮肤剃毛并消毒。在大鼠背部选择最大间隙（30 mm）的四个不同点粘贴和固定电极，包括两个AgPHMS和两个常规Ag / AgCl凝胶电极作为对照组。所有电极先用运动胶带固定，然后用无纺布辅助固定。特别是，我们每天为每只老鼠更换一次无纺布衣服。
作者的贡献
JL、SL 和 WL 对这项工作做出了同等贡献。HW、BH、JCL、SL 和 WZL 构思并设计了研究。JCL、SL 和 HW 准备了材料并制造了电极。JCL、SL、HW 和 ML 进行了微形态学实验和分析。JCL、DW、YZZ 和 ML 进行了电气实验和分析。JCL、YZZ、ZFH、ML 和 HW 进行了力学实验和分析。JCL、SL、YZZ 和 HW 执行了 FEA 仿真。JCL、SL、WZL、DKL 和 BH 进行了 mVEP 实验和分析。JCL、SL、WZL 和 BH 进行了生物相容性测试。所有作者都为论文的写作做出了贡献。Junchen Liu、Sen Lin 和 Wenzheng Li 对这项工作做出了同等贡献。
致谢
本工作得到中央高校基本科研业务费专项资金2021XD-A04-1、国家自然科学基金（NSFC）基础科学中心项目51788104、北京市自然科学基金资助根据授权号 JQ19005。
参考文献：略，
本文来源：《research》
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2022/9830457/?utm_source=TrendMD&utm_medium=cpc&utm_campaign=Research_TrendMD_1#abstract
