柔性耳周腦電采集概述

柔性耳周腦電采集系統(tǒng)（cEEGrid）是一種基于柔性印刷電極技術(shù)的新型腦電采集方案，旨在解決傳統(tǒng)腦電圖（EEG）設(shè)備笨重、可見(jiàn)性強(qiáng)、佩戴不適、難以在自然環(huán)境下長(zhǎng)期使用的局限性。該技術(shù)靈感來(lái)源于對(duì)“自然認(rèn)知”和“主動(dòng)感知”研究的需求，即在日常環(huán)境中無(wú)感、持續(xù)地監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)。cEEGrid 由10個(gè)Ag/AgCl印刷電極排列成C形，貼合耳周佩戴，通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集與刺激呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了隱蔽、舒適、便攜的腦電記錄。其優(yōu)勢(shì)在于高隱蔽性（可完全隱藏在發(fā)際線后）、良好的佩戴舒適度（多數(shù)用戶反饋幾乎無(wú)感）、穩(wěn)定的長(zhǎng)期信號(hào)質(zhì)量（阻抗在7–8小時(shí)內(nèi)無(wú)顯著變化），以及強(qiáng)大的時(shí)空信息捕捉能力（可清晰記錄α波差異與P300等事件相關(guān)電位）。該系統(tǒng)適用于日常環(huán)境下的腦機(jī)接口（BCI）、社交互動(dòng)研究、兒科腦電圖、癲癇長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、睡眠研究及助聽(tīng)器集成等場(chǎng)景，為移動(dòng)神經(jīng)科學(xué)和可穿戴醫(yī)療設(shè)備提供了新的可能性。

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柔性耳周腦電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵

系統(tǒng)由三部分組成：柔性cEEGrid電極陣列、SMARTING 24通道移動(dòng)EEG放大器、以及智能手機(jī)（Android系統(tǒng)）。放大器通過(guò)藍(lán)牙將信號(hào)無(wú)線傳輸至手機(jī)，手機(jī)同時(shí)負(fù)責(zé)聽(tīng)覺(jué)刺激呈現(xiàn)（使用OpenSesame軟件）與數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)整體輕便，可放入口袋，適用于戶外和日常環(huán)境。設(shè)計(jì)中特別強(qiáng)調(diào)了信號(hào)穩(wěn)定性與抗干擾能力：放大器內(nèi)置3D陀螺儀，支持運(yùn)動(dòng)中記錄；電極采用“密封式”設(shè)計(jì)，減少電解液蒸發(fā)，維持阻抗穩(wěn)定；信號(hào)采集過(guò)程中使用觸摸屏事件標(biāo)記與離線時(shí)間校正，以應(yīng)對(duì)Android系統(tǒng)的音頻延遲問(wèn)題。

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柔性耳周腦電采集電極設(shè)計(jì)關(guān)鍵

cEEGrid電極系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)隱蔽、舒適、長(zhǎng)期穩(wěn)定采集的核心，其關(guān)鍵要素如下：

材料與結(jié)構(gòu)：

電極采用多層柔性印刷電路板技術(shù)制造?；臑樯锵嗳菪缘木埘啺罚_保佩戴安全與柔韌性。導(dǎo)電部分由三層構(gòu)成：鍍金的端點(diǎn)用于與放大器插頭連接，純銅走線負(fù)責(zé)信號(hào)傳輸，而與皮膚接觸的傳感點(diǎn)則使用基于銀/氯化銀（Ag/AgCl）的聚合物厚膜墨水印刷而成。這種Ag/AgCl材料是生物電測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)選擇，有助于形成穩(wěn)定的半電池電位，減少極化效應(yīng)和運(yùn)動(dòng)偽跡。

通道數(shù)與采集位點(diǎn)：

每個(gè)cEEGrid陣列集成了10個(gè)電極，以C形排列環(huán)繞耳廓。電極中心直徑為3毫米，相鄰電極中心距為12或18毫米，這種間距在有限的耳周空間內(nèi)提供了適中的空間采樣密度，有助于區(qū)分局部腦電活動(dòng)與噪聲。電極被特意布置在發(fā)際線上下（如圖1B所示），以實(shí)現(xiàn)最大程度的隱蔽。

左右耳陣列的對(duì)稱性與差異：

左右耳的cEEGrid在物理形狀和電極數(shù)量上是對(duì)稱的，均為10電極C形陣列。然而，在電路連接和功能定義上并非一模一樣。在硬件連接中，右耳陣列中間位置的兩個(gè)特定電極被分別指定為參考電極和地電極。這種設(shè)計(jì)是為了在放大器端建立一個(gè)穩(wěn)定的電學(xué)參考點(diǎn)。

圖1：cEEGrid 柔性電極陣列設(shè)計(jì)、佩戴示意圖與電極細(xì)節(jié)圖

圖1為系統(tǒng)核心硬件圖示。圖1A子圖：展示了左右耳cEEGrid記錄的原始靜息態(tài)EEG信號(hào)片段，并用白色電極標(biāo)示了硬件參考與地電極的位置，以及離線重參考后使用的虛擬乳突參考點(diǎn)（白色帶黑圈），直觀呈現(xiàn)了信號(hào)的基本形態(tài)與參考策略。圖1B子圖：為cEEGrid佩戴在右耳的實(shí)物照片，清晰顯示了其C形結(jié)構(gòu)如何環(huán)繞耳廓，以及電極在發(fā)際線上下分布的隱蔽性。圖1C子圖：電極與走線的微距視圖，標(biāo)明了導(dǎo)電點(diǎn)直徑（3mm）及Ag/AgCl印刷材料。圖1定義了整個(gè)研究的硬件基礎(chǔ)，說(shuō)明了設(shè)備的物理形態(tài)、佩戴方式和基本信號(hào)特征。

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臨床研究

研究方法：

參與者：10名健康成人。

系統(tǒng)：cEEGrid耳周電極陣列 + SMARTING移動(dòng)放大器 + 智能手機(jī)（用于刺激呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集）。

范式：

靜息態(tài)EEG：記錄交替睜眼/閉眼時(shí)的腦電。

聽(tīng)覺(jué)Oddball任務(wù)：參與者默數(shù)隨機(jī)呈現(xiàn)的高音靶刺激（20%概率）。

流程：早晨佩戴設(shè)備并完成首次測(cè)試；隨后參與者自由日常活動(dòng)6-7小時(shí)；下午再次連接設(shè)備完成第二次測(cè)試。

核心分析：

阻抗監(jiān)測(cè)：評(píng)估電極-皮膚接觸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

頻譜分析：對(duì)比睜/閉眼狀態(tài)下的腦電功率差異。

事件相關(guān)電位分析：提取并分析靶刺激誘發(fā)的P300成分。

單試次分類：使用早晨數(shù)據(jù)訓(xùn)練的線性分類器，直接對(duì)下午未見(jiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以檢驗(yàn)信號(hào)穩(wěn)定性。

研究結(jié)果：

阻抗穩(wěn)定性：平均阻抗約16.5kΩ，早晚無(wú)顯著變化（p=0.89）。

靜息態(tài)EEG：閉眼時(shí)α頻段（8–12Hz）功率顯著高于睜眼條件（圖2、圖3），符合經(jīng)典EEG特征。

圖2：基于cEEGrid記錄的靜息態(tài)EEG頻譜對(duì)比圖（早晨 vs.下午）

圖2左右兩幅頻譜圖分別對(duì)應(yīng)早晨和下午的測(cè)試結(jié)果。每幅圖以2D側(cè)視圖布局顯示了所有16個(gè)通道的功率譜，其中藍(lán)線代表睜眼狀態(tài)，紅線代表閉眼狀態(tài)。可以清晰看到，在閉眼條件下，幾乎所有通道在8-12 Hz（α頻段）都出現(xiàn)了一個(gè)顯著的功率峰值（紅色凸起），而睜眼時(shí)該峰值消失或減弱。視覺(jué)化驗(yàn)證了cEEGrid系統(tǒng)能夠可靠地捕捉到最經(jīng)典的腦電生理現(xiàn)象——閉眼α波增強(qiáng)，證明了其記錄穩(wěn)態(tài)腦電信號(hào)的有效性。

圖3：靜息態(tài)EEG睜閉眼差異的統(tǒng)計(jì)參數(shù)空間分布熱圖

熱圖3將數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行空間（16通道）和頻域（5個(gè)頻段）的可視化。圖3A：以顏色編碼展示了所有通道在各頻段上閉眼與睜眼的功率差值（dB）?？擅黠@看出，顯著的差異（暖色）主要集中在α頻段（8-12 Hz）的多個(gè)通道。圖3B,C：分別對(duì)應(yīng)早晨和下午的統(tǒng)計(jì)顯著性結(jié)果（經(jīng)Bonferroni校正），黑色方格表示該通道在該頻段差異顯著。這表明α頻段的顯著性在多個(gè)通道上具有時(shí)間穩(wěn)定性。將圖2的定性觀察轉(zhuǎn)化為定量、統(tǒng)計(jì)的空間分布結(jié)論，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈C明了cEEGrid所測(cè)α波效應(yīng)的顯著性和可重復(fù)性。

事件相關(guān)電位：靶音誘發(fā)出明顯的N100與P300成分，P300振幅顯著大于標(biāo)準(zhǔn)音（p<0.001），且早晚會(huì)話間表現(xiàn)出高重測(cè)信度（r>0.74）（圖4、圖5）。

圖4：聽(tīng)覺(jué)Oddball任務(wù)事件相關(guān)電位波形圖（早晨 vs. 下午）

圖4分別展示了早晨和下午會(huì)話中，靶刺激與標(biāo)準(zhǔn)刺激所誘發(fā)的ERP波形（16通道疊加）。圖中可清晰識(shí)別出約100ms的N1成分和約400ms的P300成分。關(guān)鍵的是，靶刺激誘發(fā)的P300波形（紅色）在早晚兩個(gè)會(huì)話中形態(tài)、幅值和潛伏期高度一致。直觀證明了cEEGrid系統(tǒng)記錄瞬態(tài)腦電事件（ERP）的能力，并初步顯示了P300成分跨時(shí)間的穩(wěn)定性，為后續(xù)定量分析奠定基礎(chǔ)。

圖5：ERP條件效應(yīng)綜合分析熱圖（振幅差異、重測(cè)信度與效應(yīng)量）

圖5是ERP分析的核心量化結(jié)果綜合展示。圖5A（振幅差異）：展示了靶刺激與標(biāo)準(zhǔn)刺激ERP在300-500ms時(shí)間窗內(nèi)振幅差異的空間-時(shí)間分布，熱點(diǎn)區(qū)域（L1-L3， R1-R3）即為P300的最大效應(yīng)區(qū)。圖5B（重測(cè)信度）：顯示了早晚會(huì)話間P300差異波的相關(guān)性，深色區(qū)域表示高重測(cè)信度（r > 0.74），直接量化了信號(hào)的時(shí)間穩(wěn)定性。圖5C（效應(yīng)量）：以Cohen‘s d值顯示了條件效應(yīng)的強(qiáng)度，在相同區(qū)域效應(yīng)量極大（d > 0.9），證明了所記錄效應(yīng)的生理顯著性。圖5多維度、定量化地證實(shí)了cEEGrid所記錄P300的高質(zhì)量、高穩(wěn)定性與高可靠性。

單試次分類：使用早晨數(shù)據(jù)訓(xùn)練的LDA分類器在下午數(shù)據(jù)上仍保持>70%的準(zhǔn)確率，且通道數(shù)減少至3個(gè)時(shí)性能依然穩(wěn)健（圖6）。

圖6：?jiǎn)卧嚧文X電分類性能與通道選擇分析圖

圖6A：柱狀圖顯示，使用早晨數(shù)據(jù)訓(xùn)練的分類器，在早晨（交叉驗(yàn)證）和下午（獨(dú)立測(cè)試）數(shù)據(jù)上均取得約70%的準(zhǔn)確率，且無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，實(shí)證了基于cEEGrid特征的分類模型具備跨時(shí)段泛化能力。圖6B：折線圖展示了隨著通道數(shù)逐次減少（從16到1），分類準(zhǔn)確率的變化。群體平均性能平緩下降，而個(gè)別被試（彩色線）在通道數(shù)較少時(shí)仍保持高性能，揭示了系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可以簡(jiǎn)化優(yōu)化的潛力。圖6從腦機(jī)接口應(yīng)用角度驗(yàn)證了cEEGrid信號(hào)的實(shí)用價(jià)值，證明了其信號(hào)不僅可用于平均分析，也適用于單試次解碼，且模型穩(wěn)定、系統(tǒng)可簡(jiǎn)化。

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總結(jié)

cEEGrid系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了隱蔽、舒適、長(zhǎng)期穩(wěn)定的耳周腦電采集，在自然環(huán)境下仍能捕捉到具有高時(shí)空分辨率的腦電特征（如α波、P300）。該系統(tǒng)結(jié)合柔性印刷電極、微型放大器和智能手機(jī)，極大提升了EEG的便攜性、隱蔽性與用戶接受度，為日常生活中的腦功能監(jiān)測(cè)、神經(jīng)反饋、腦機(jī)接口及臨床長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)提供了可行的技術(shù)路徑。未來(lái)可通過(guò)優(yōu)化電極材料（如使用水凝膠）、個(gè)性化設(shè)計(jì)、提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性等方式進(jìn)一步推動(dòng)其在移動(dòng)健康與神經(jīng)工程中的應(yīng)用。