Evaluarea tensiunii mentale cu ajutorul unui e-tatuaj frontal wireless: o inovație discretă în neurotehnologia purtabilă

Un studiu publicat recent în jurnalul Device propune o soluție inovatoare pentru monitorizarea continuă a încărcării mentale printr-un e-tatuaj wireless aplicat pe frunte, capabil să înregistreze semnale EEG și EOG de înaltă fidelitate. Dispozitivul a fost dezvoltat ca răspuns la limitările echipamentelor convenționale de neuroimagistică portabilă, adesea voluminoase, incomode și sensibile la mișcare. Scopul cercetării a fost de a oferi o alternativă minim invazivă, confortabilă și compatibilă cu activități reale, testată într-un protocol standardizat de inducere a sarcinii cognitive - sarcina duală N-back.
Încărcarea mentală reprezintă o componentă esențială în sistemele om-mașină, influențând performanța cognitivă, deciziile și siguranța operațională, mai ales în domenii critice precum aviația, medicina sau robotica. Deși metodele fiziologice precum EEG și EOG sunt promițătoare pentru evaluarea obiectivă a efortului cognitiv, implementarea lor în contexte dinamice este restricționată de echipamentele existente, care necesită cabluri, geluri de contact sau poziționări fixe.

Pentru a depăși aceste obstacole, cercetătorii au conceput o platformă ultraușoară, wireless, care integrează electrozi subțiri și flexibili cu circuite de prelucrare și transmitere a datelor. Astfel, evaluarea continuă a stării cognitive devine posibilă în medii reale, fără a afecta confortul utilizatorului.

Despre studiu

Dispozitivul constă într-un e-tatuaj frontal adeziv, realizat dintr-un compozit de grafit acoperit cu PEDOT\:PSS (o polimerizare conductivă cu proprietăți adezive și de compatibilitate mecanică), conectat la un circuit flexibil reutilizabil (FPC) care permite achiziția de date și transmiterea lor wireless prin Bluetooth Low Energy.

Principalele caracteristici tehnice includ:

• 4 canale EEG (AF7, Fp1, Fp2, AF8) și 2 canale EOG (orizontal și vertical);
• grosime totală de doar 117 μm pentru stratul de electrozi și 7,5 mm pentru întregul sistem;
• greutate de 8,1 g (inclusiv bateria de 150 mAh);
• autonomie de peste 28 de ore de funcționare continuă;
• impedanță de contact semnificativ mai mică decât cea a electrozilor gelificați comerciali (8,03 kΩ·cm² la 10 Hz, comparativ cu 12,06 kΩ·cm²);
• toleranță ridicată la mișcare, inclusiv mers și alergare, cu pierderi minime de date (<0,5%).

Performanțele au fost validate comparativ cu un sistem comercial EEG standard (Brain Vision), în condiții statice și dinamice, incluzând activități faciale și fizice.

Rezultate

Dispozitivul a fost testat pe 6 voluntari umani într-un experiment controlat de tip dual N-back, utilizat frecvent pentru a induce și calibra sarcini cognitive de diferite niveluri. Fiecare participant a fost supus la sarcini de complexitate crescătoare (0- până la 3-back), cu evaluare comportamentală (acuratețe, timp de reacție, rate de alarmă falsă), evaluare subiectivă prin chestionarul NASA-TLX și înregistrări fiziologice EEG și EOG.

Principalele constatări includ:

• Creșterea semnificativă a scorurilor NASA-TLX odată cu nivelul N, validând inducerea diferențiată a încărcării mentale.
• Scăderea performanței comportamentale (acuratețe, timp de răspuns, detectare) odată cu creșterea nivelului sarcinii cognitive.
• Creșteri ale puterii benzilor delta și theta în EEG frontal și scăderi în benzile alpha, beta și gamma, în concordanță cu literatura de specialitate despre efortul cognitiv.
• Indicele de angajament (beta/(alpha+theta)) a scăzut proporțional cu nivelul de dificultate, sugerând tranziția către stări de supraîncărcare cognitivă.

În plus, folosind datele colectate, cercetătorii au antrenat un model de învățare automată (random forest) care a reușit să estimeze cu acuratețe nivelurile de încărcare mentală, atât la nivel de probă individuală (stimulus-level), cât și pe sesiuni întregi (trial-level), cu o corelație de până la 0,89 între valorile prezise și nivelul real al sarcinii cognitive.

Concluzii și perspective

Acest studiu propune un dispozitiv portabil EEG/EOG de ultimă generație, ce combină inovația în materiale (APC-GPU), inginerie hardware (FPC cu consum minim de energie) și algoritmi de procesare automată, oferind o alternativă viabilă, confortabilă și scalabilă pentru monitorizarea continuă a stărilor cognitive.

Comparativ cu dispozitivele existente, acest e-tatuaj:

• asigură fidelitate superioară a semnalului chiar și în condiții de mișcare;
• este compatibil cu căști, căști VR și căști de protecție, fiind subțire și flexibil;
• poate fi produs la costuri reduse (sub 20 dolari per e-tatuaj);
• permite reutilizarea componentelor electronice, limitând deșeurile electronice.

Totuși, aplicațiile viitoare ar putea beneficia de:

• extinderea zonelor de înregistrare către scalpul acoperit cu păr prin electrozi compatibili cu pielea capului;
• îmbunătățirea confortului la purtare pe termen lung prin materiale mai respirabile;
• adaptarea la aplicații din viața reală - pilotaj, chirurgie, control robotic - unde evaluarea în timp real a stării cognitive poate preveni erorile umane și îmbunătăți performanța.

În ansamblu, e-tatuajul frontal wireless se conturează drept o tehnologie de frontieră în domeniul interfețelor om-mașină, cu potențial larg de aplicare în neuroergonomie, sănătate mintală, educație și siguranță operațională.