Präzise Hirnstrommessung EEG mit leitfähiger Tinte direkt auf der Kopfhaut

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Mit leitfähigen Tinten direkt auf der Kopfhaut ist es möglich, ein EEG auch durch kurze Haare hindurch und ohne aufwendige Verkabelung zu erstellen. Die Tinte wird mit einem Roboterarm präzise auf die Kopfhaut aufgetragen, der vorher 3D-gescannt wurde.

Seit mehr als einem Jahrzehnt gibt es epidermale Elektronik, die mittels temporärer Tätowierungen (E-Tattoos) auf die Haut aufgebracht wird. Sie stoßen jedoch vor allem auf gewölbten oder behaarten Oberflächen an ihre Grenzen. Wissenschaftler haben nun eine spezielle leitfähige Tinte entwickelt, die direkt auf die Kopfhaut gedruckt werden kann, um Hirnströme präzise zu erfassen. Laut der Fachzeitschrift Cell Biomaterials könnte dies die mobile EEG-Überwachung außerhalb des klinischen Umfelds und viele andere Anwendungen ermöglichen.

EEGs sind eine etablierte, nicht-invasive Methode zur Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns. Sie dienen als wichtiger diagnostischer Indikator bei Erkrankungen wie Epilepsie, Schlafstörungen und Hirnverletzungen und spielen eine entscheidende Rolle in den Neurowissenschaften, insbesondere bei der Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen (Brain-Computer Interfaces, BCIs). Ein Nachteil ist, dass die Patienten oft unbequeme Elektrodenkappen tragen müssen, deren Position zeitaufwendig individuell angepasst werden muss. Außerdem verliert das für die Elektroden verwendete Gel nach einigen Stunden seine Leitfähigkeit.

Leitfähige Polymertinten direkt auf der Kopfhaut

Ein Forscherteam der University of Texas in Austin hat nun E-Tattoos entwickelt, die ohne Klebstoff auf der Haut auskommen. Sie sind praktisch unsichtbar und werden als temporäre Tätowierungen angebracht. Sie ermöglichen elektrische Messungen (Herzfrequenz [EKG], Muskelaktivität [EMG], Stresslevel oder Alphawellen [EEG]) durch ultradünne Polymere mit eingebetteten Schaltungselementen.

Trotz der Vorteile stehen die Forscher vor Problemen wie der Anwendung auf gekrümmten oder behaarten Oberflächen und der individuellen Positionierung, um räumlich verteilte Biosignale zu erfassen. An der University of Texas in Austin und der University of California in Los Angeles werden derzeit verbesserte Druckverfahren auf Haut und Gewebe erforscht, die beispielsweise durch Bioprinting oder das Einbringen von Zellen und Sensorik in Hydrogele zur Geweberegeneration und als Dehnungssensoren eingesetzt werden können.

Entweder EEG-Signalaufnahme oder leitfähige Verbindungen

Die Forscher haben druckbare, biokompatible Polymertinten entwickelt, die über einen Mikrojet direkt auf eine leicht feuchte Kopfhaut aufgetragen werden können. Die Tinte trocknet schnell und bildet einen weichen, dehnbaren und leitfähigen dünnen Film, der sich perfekt an die Form der Kopfhaut anpasst. Es stehen zwei Varianten zur Verfügung: eine zur Bildung von Elektroden zur EEG-Signalaufnahme und eine andere zur Erstellung hochleitfähiger Verbindungsstreifen, die das Messrauschen minimieren.

Zunächst wird die Kopfoberfläche des Patienten mit einer Kamera abgebildet, und ein Algorithmus berechnet die optimale Position der Sensoren. Ein Mikrojet-Drucker trägt die Tinte genau an die definierten Positionen auf. Kurze Haare sind für den Drucker kein Problem. Kabel verbinden das E-Tattoo mit einem kleinen EEG-Recorder. Die Technik konnte erfolgreich Gehirnaktivität bei Teilnehmern erfassen.

„Das Design ist extrem flach und mechanisch für den Benutzer kaum wahrnehmbar“, sagt José del R. Millán von der University of Texas in Austin. „Da weniger Installations- und Wartungsaufwand erforderlich ist und der Benutzer eventuell eine Mütze oder einen Helm darüber tragen kann, könnten wir längere Messzeiträume erreichen und somit mehr über die Gehirnaktivität erfahren.“

Video: Ein EEG mit Polymertinten

Neue Methode ist weniger zeitaufwendig

Die neue Methode erfordert zwar immer noch einen gewissen Zeitaufwand für den Patienten, ist aber deutlich weniger zeitaufwendig als die herkömmliche EEG-Methode und auch kostengünstiger. Derzeit funktioniert sie nur bei sehr kurzen Haaren. Zukünftige Forschung wird sich darauf konzentrieren, die Anwendung auch bei längerem, dichterem oder lockigem Haar zu verbessern. Eine mögliche Lösung könnte der Einsatz von Roboterfingern oder speziellen Kämmen sein, damit die Haare beim Drucken nicht stören.

Außerdem neigt die Tinte dazu, sich beim Schlafen oder Duschen abzureiben. Deshalb arbeiten die Forscher daran, damit die Tinte abriebfester wird. Langfristig könnte die Technologie nicht nur für EEGs, EKGs und BCIs eingesetzt werden, sondern auch für die Integration von Sensoren direkt in Organe wie Schädel, Herz oder Gewebe für regenerative Zwecke. (heh)

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