Polyvinyl alcohol/polyacrylamide double-network hydrogel-based semi-dry electrodes for robust electroencephalography recording at hairy scalp for noninvasive brain–computer interfaces

电极 聚乙烯醇 材料科学 脑-机接口 生物医学工程 头皮 脑电图 电阻抗 复合材料 化学 外科 电气工程 医学 精神科 工程类 物理化学
作者
Guangli Li,Ying Liu,Yu‐Wei Chen,Mingzhe Li,Jian Song,Kanghua Li,Youmei Zhang,Le Hu,Xiaoman Qi,Xuan Wan,Jun Liu,Quanguo He,Haihan Zhou
出处
期刊:Journal of Neural Engineering [IOP Publishing]
卷期号:20 (2): 026017-026017 被引量:32
标识
DOI:10.1088/1741-2552/acc098
摘要

Abstract Objective. Reliable and user-friendly electrodes can continuously and real-time capture the electroencephalography (EEG) signals, which is essential for real-life brain – computer interfaces (BCIs). This study develops a flexible, durable, and low-contact-impedance polyvinyl alcohol/polyacrylamide double-network hydrogel (PVA/PAM DNH)-based semi-dry electrode for robust EEG recording at hairy scalp. Approach. The PVA/PAM DNHs are developed using a cyclic freeze-thaw strategy and used as a saline reservoir for semi-dry electrodes. The PVA/PAM DNHs steadily deliver trace amounts of saline onto the scalp, enabling low and stable electrode-scalp impedance. The hydrogel also conforms well to the wet scalp, stabilizing the electrode-scalp interface. The feasibility of the real-life BCIs is validated by conducting four classic BCI paradigms on 16 participants. Main results. The results show that the PVA/PAM DNHs with 7.5 wt% PVA achieve a satisfactory trade-off between the saline load-unloading capacity and the compressive strength. The proposed semi-dry electrode exhibits a low contact impedance (18 ± 8.9 kΩ at 10 Hz), a small offset potential (0.46 mV), and negligible potential drift (1.5 ± 0.4 μ V min −1 ). The temporal cross-correlation between the semi-dry and wet electrodes is 0.91, and the spectral coherence is higher than 0.90 at frequencies below 45 Hz. Furthermore, no significant differences are present in BCI classification accuracy between these two typical electrodes. Significance. Based on the durability, rapid setup, wear-comfort, and robust signals of the developed hydrogel, PVA/PAM DNH-based semi-dry electrodes are a promising alternative to wet electrodes in real-life BCIs.
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