腦電電極的概述

腦電圖（Electroencephalogram, EEG）是通過記錄大腦皮層神經(jīng)元電活動來反映腦功能狀態(tài)的重要技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于臨床診斷、神經(jīng)科學(xué)研究及腦機接口等領(lǐng)域。腦電電極作為信號采集的核心部件，其性能直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。電極的核心功能是將頭皮或腦組織中的微弱生物電信號（通常為微伏級）轉(zhuǎn)化為可記錄的電壓信號，因此電極的設(shè)計需兼顧導(dǎo)電性、穩(wěn)定性與舒適性。

腦電信號的采集依賴于電極與頭皮或腦組織之間的有效接觸。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)（如10-20系統(tǒng)），電極的放置位置需精確對應(yīng)特定腦區(qū)，以確保信號的空間分辨率。近年來，隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展，腦電電極逐漸從傳統(tǒng)的實驗室場景向移動醫(yī)療、消費電子等領(lǐng)域延伸，電極的分類與技術(shù)革新也隨之多樣化。

HUIYING

腦電電極的分類

腦電電極的分類方式多樣，包括按導(dǎo)電介質(zhì)、信號放大方式、放置位置及應(yīng)用場景等。其中，按導(dǎo)電介質(zhì)分類是最核心的維度，直接決定電極的物理特性和適用場景。

按導(dǎo)電介質(zhì)分類

1. 濕電極（Wet Electrodes）

濕電極通常由金屬（如銀 - 氯化銀等）制成，使用時需要配合導(dǎo)電膏（一種含有電解質(zhì)成分的膏狀物）來填充電極與頭皮之間的微小空隙，降低電極與頭皮之間的接觸阻抗，采集到的腦電信號質(zhì)量高，是目前臨床應(yīng)用最廣泛的類型。

2.鹽水電極（SalineElectrodes）

鹽水電極主要使用生理鹽水作為導(dǎo)電介質(zhì)，成本低且易于操作。電極一般具有特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如帶有可以容納鹽水的腔體或者多孔結(jié)構(gòu)，能夠讓鹽水與頭皮充分接觸。但其液體易蒸發(fā)，導(dǎo)致阻抗隨時間升高（如5 kΩ在5小時內(nèi)可能升至15 kΩ），需頻繁補充液體以維持信號穩(wěn)定。

3.凝膠電極（Gel Electrodes）

凝膠電極與濕電極有相似之處，采用粘性電解質(zhì)凝膠，能更緊密貼合頭皮。凝膠通常包裹在電極表面或者預(yù)先放置在電極與頭皮之間，其質(zhì)地一般較為粘稠，內(nèi)部含有能夠?qū)щ姷碾娊赓|(zhì)成分，阻抗低且信號質(zhì)量高（功率譜密度PSD值可達2.47 ± 0.81 μV2）。但凝膠易干涸，長期使用可能引起皮膚刺激，且清潔困難。

凝膠電極片

4. 干電極（Dry Electrodes）

干電極是一種無需額外導(dǎo)電介質(zhì)（如導(dǎo)電膏、凝膠、鹽水等），直接與頭皮接觸來采集腦電信號的電極類型。它通常采用特殊的材料（如導(dǎo)電聚合物、金屬微針陣列等）或者獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計（如基于電容耦合原理等），依靠電極與頭皮之間形成物理接觸和微弱的電化學(xué)作用來傳導(dǎo)腦電信號。

不同類型的干生物電極

剛性干電極：采用金屬針或凸起結(jié)構(gòu)穿透頭發(fā)接觸頭皮（如Emotiv Insight）。其阻抗較高（約16 kΩ），但穩(wěn)定性好，適合數(shù)小時至數(shù)天的長期監(jiān)測。

柔性干電極：使用導(dǎo)電橡膠或織物材料，貼合頭皮且舒適度高，但易受運動偽影干擾，需配合信號濾波技術(shù)。

技術(shù)延伸：微針陣列電極：通過微米級針尖穿透角質(zhì)層，直接接觸真皮層，大幅降低阻抗（接近濕電極水平），但存在皮膚創(chuàng)傷風(fēng)險。

HUIYING

其他分類維度

1. 按信號放大方式

主動電極：內(nèi)置前置放大器，直接放大信號并抑制環(huán)境噪聲（如Brain Products ActiCap），適用于復(fù)雜環(huán)境（如MRI兼容設(shè)備）。

被動電極：依賴外部設(shè)備放大信號，成本低但易受干擾（如NeuroSky MindWave）。

2. 按放置位置

頭皮電極：通過國際10-20系統(tǒng)定位，包括杯狀電極、針狀電極等。

顱內(nèi)電極：需手術(shù)植入，直接接觸腦組織（如皮層電極ECoG、立體定向電極sEEG），信號分辨率極高但創(chuàng)傷性大。

HUIYING

腦電電極對比

在EEG導(dǎo)電性能對比中，通常按照是否需要額外導(dǎo)電介質(zhì)（導(dǎo)電膏、凝膠、鹽水等）將電極分為干電極、濕電極（濕電極、凝膠電極、鹽水電極等）兩種。

干電極與濕電極接觸皮膚表面示意圖

左側(cè)（A）濕或半干電極借凝膠、鹽水或自來水與一次性用品和表皮接觸，下方為真皮和底層組織，需額外導(dǎo)電介質(zhì)；右側(cè)（B）干電極靠汗水和皮膚自身水分與表皮接觸，無需額外導(dǎo)電介質(zhì)，使用更方便。

A.濕電極與干電極佩戴舒適度水平B.每個電極準(zhǔn)備和清理時間

靜息腦電功率譜和地形圖（睜、閉眼）

ERP波形和地形圖

總結(jié)：

上述對比了傳統(tǒng)濕電極 EEG 系統(tǒng)和干電極 EEG 系統(tǒng)，在信號質(zhì)量上，多數(shù)指標(biāo)如 P2和 P3振幅、部分頻段靜息低頻功率、單次試驗分類結(jié)果等相關(guān)性良好，分類分析表現(xiàn)均佳，不過干系統(tǒng) delta 和 gamma 功率與濕系統(tǒng)存在差異；硬件和用戶體驗方面，干系統(tǒng)電極數(shù)量少、平均每個電極準(zhǔn)備時間略長，但操作便利，用戶反饋干系統(tǒng)敏捷性更好，兩者舒適度在設(shè)置和記錄時無差異，但干系統(tǒng)兩小時內(nèi)舒適度下降更快，總體干電極 EEG 系統(tǒng)在多數(shù)指標(biāo)上與濕電極 EEG 系統(tǒng)相當(dāng)，有應(yīng)用潛力但也存在差異和局限。

應(yīng)用場景與選擇建議

臨床診斷：優(yōu)先選擇凝膠濕電極或主動電極，確保高信噪比（如癲癇病灶定位）。

可穿戴設(shè)備：柔性干電極或半干電極更適合運動狀態(tài)下的長期監(jiān)測（如Emotiv Insight）。

科研實驗：根據(jù)需求選擇高密度濕電極（如128導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)）或顱內(nèi)電極（如sEEG）。

HUIYING

電極技術(shù)的前言與挑戰(zhàn)

混合電極設(shè)計

結(jié)合干電極的便捷性與濕電極的高信噪比，例如采用微流控技術(shù)動態(tài)釋放電解液，實現(xiàn)阻抗自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

生物兼容性材料

開發(fā)柔性導(dǎo)電聚合物（如PEDOT:PSS），在降低阻抗的同時減少皮膚刺激，尤其適用于兒童與敏感人群。

多模態(tài)集成

將電極與光學(xué)、力學(xué)傳感器結(jié)合，同步采集腦電、血氧及頭部運動信號，提升數(shù)據(jù)分析的維度（如fNIRS-EEG聯(lián)合系統(tǒng)）。

HUIYING

回映產(chǎn)品:AR-BCI 智能腦控頭盔

基于對腦電電極技術(shù)特性的深度解析，AR-BCI 智能腦控頭盔創(chuàng)新性地實現(xiàn)了濕電極、鹽水電極、干電極及主動干電極的兼容設(shè)計，進而構(gòu)建高適配性腦電采集設(shè)備，滿足不同實驗場景和用戶需求的適配性。該系統(tǒng)采用高度集成化設(shè)計，將 AR 顯示系統(tǒng)、眼動追蹤模塊、腦電信號采集電路及高性能計算單元（NVIDIA 主機）整合為一體，支持腦電與眼動數(shù)據(jù)的同步采集與協(xié)同分析。其刺激范式顯示系統(tǒng)具備雙模式切換功能，AR-SSEVP 刺激范式可獨立兼容 PC 端 SSVEP 模式，AR-MI 刺激范式同樣支持 PC 端 MI 模式。

系統(tǒng)配置具有高度靈活性，電極類型、AR 顯示模塊、眼動追蹤組件及高性能計算單元均為可選項，可根據(jù)實際應(yīng)用場景和需求進行動態(tài)調(diào)整，真正實現(xiàn)了多功能集成與靈活配置的一體化解決方案。

適應(yīng)癥：

腦卒中、脊髓損傷、顱腦損傷等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病及周圍神經(jīng)損傷疾病引起的肢體障礙患者的腦機接口康復(fù)訓(xùn)練。

適應(yīng)科室：

康復(fù)科、神經(jīng)內(nèi)科、神經(jīng)外科、卒中中心、老年科。

采集系統(tǒng)

參數(shù)

采樣率：≤ 16KSPS，每個通道獨立可控制；

共模抑制比：≥ 120dB；

系統(tǒng)噪聲：≤ 5uVrms；

模數(shù)轉(zhuǎn)換率：24 位；

輸入信號范圍：±375mVpp；

采集通道有 8 路 /16 路 /32 路，支持單極性采集，預(yù)留雙極性采集方案；

具備 8 路 /16 路 /32 路電極阻抗檢測功能，并實現(xiàn)電極脫落指示功能；

輸入阻抗＞ 1000Mohm、輸入噪聲 <0.15uVRMS（0.5~70Hz）、共模抑制比 CMRR ≥ 130dB，達到 JJG954—2019《數(shù)字腦電圖儀檢定規(guī)程》相關(guān)指標(biāo)要求；

電極尺寸：電極盤直徑 18mm, 觸角長度 6.5mm, 觸角直徑2mm，觸角數(shù)量 10~15 根。彈簧式干電極結(jié)構(gòu)，保證電極與頭皮貼合緊實，前額可安置心率血氧模塊。

干電極的

參數(shù)

交流阻抗：阻抗≤ 1000Ω;

直流失調(diào)電壓：電壓≤ 100mV;

內(nèi)部噪音：電壓 <150uv;

除顫過載回復(fù)：變化率 <±1mV/s、除顫后阻抗<1000Ω;

偏置電流耐受度：電壓變化 <100mV。