1. 引言

腦機接口（Brain-Computer Interface, BCI）是一種直接在大腦與外部設備之間建立通信的技術(shù)，廣泛應用于醫(yī)療康復、神經(jīng)科學研究、人機交互和增強現(xiàn)實等領域。其核心組成部分之一是電極傳感技術(shù)，用于檢測和記錄大腦神經(jīng)電活動。本文將詳細介紹腦機接口中電極傳感的原理、技術(shù)分類及最新進展。

2. 腦電信號與電極傳感基礎

2.1 腦電信號的來源

大腦神經(jīng)活動伴隨著電生理信號的產(chǎn)生，主要包括：

（1）動作電位（Spikes）：單個神經(jīng)元放電產(chǎn)生的毫秒級高頻信號（~100 Hz - 10 kHz）。

（2）局部場電位（LFP, Local Field Potential）：神經(jīng)元群體活動的低頻信號（<300 Hz）。

（3）腦電圖（EEG, Electroencephalogram）：頭皮表面記錄的大規(guī)模神經(jīng)振蕩信號（0.1 - 100 Hz）。

2.2 電極傳感的基本原理

電極通過接觸神經(jīng)組織或頭皮，檢測離子電流引起的電勢變化，并將其轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。關(guān)鍵參數(shù)包括：

（1）靈敏度：檢測微弱信號的能力（μV - mV級）。

（2）信噪比（SNR）：目標信號與背景噪聲的比值。

（3）空間分辨率：區(qū)分相鄰神經(jīng)活動的能力（EEG ~ cm級，微電極 ~ μm級）。

3. 腦機接口電極的分類

根據(jù)植入方式和應用場景，電極主要分為以下幾類：

3.1 非侵入式電極

EEG電極：

材料：Ag/AgCl（氯化銀）、金、導電凝膠。

特點：安全無創(chuàng)，但信號衰減嚴重，空間分辨率低。

應用：睡眠監(jiān)測、癲癇預警、BCI拼寫系統(tǒng)（如P300）。

干電極：

無需導電凝膠，通過微針或高阻抗材料接觸頭皮（如碳納米管）。

優(yōu)勢：快速佩戴，適合長期監(jiān)測。

3.2 侵入式電極

皮層電極（ECoG, Electrocorticography）：

放置于大腦硬膜外或軟膜表面，信號質(zhì)量優(yōu)于EEG。

應用：癲癇病灶定位、高精度運動控制BCI。

微電極陣列（Utah陣列、Michigan探針）：

直接植入皮層，記錄單個神經(jīng)元活動（Spikes）。

材料：硅基、鉑/銥金屬、聚酰亞胺柔性基底。

挑戰(zhàn)：長期植入易引發(fā)膠質(zhì)增生導致信號衰減。

3.3 半侵入式電極

血管內(nèi)電極（如Stentrode）：

通過血管植入，接近皮層但無需開顱手術(shù)。

優(yōu)勢：降低感染風險，信號質(zhì)量接近ECoG。

4. 電極材料與制造技術(shù)

4.1 傳統(tǒng)材料

金屬電極：鉑、銥、金（高導電性，但剛性易損傷組織）。

導電聚合物：PEDOT:PSS（提升生物相容性，降低阻抗）。

4.2 新興材料

石墨烯：柔性、高導電性，適合柔性電極。

納米線/碳納米管：超高表面積，增強信號采集能力。

4.3 制造工藝

光刻技術(shù)：用于硅基微電極陣列（如Utah陣列）。

3D打印/柔性電子：實現(xiàn)定制化、可拉伸電極（如Neuropixels 2.0）。

5. 信號處理與挑戰(zhàn)

5.1 信號放大與濾波

前置放大器需具備高輸入阻抗（>1 GΩ）以減小信號衰減。

帶通濾波（EEG: 0.1-100 Hz；Spikes: 300-10 kHz）。

5.2 噪聲抑制

工頻干擾（50/60 Hz）：使用陷波濾波器。

運動偽影：通過自適應算法或差分電極設計消除。

5.3 長期穩(wěn)定性問題

生物相容性涂層（如聚乙二醇）減少免疫反應。

自修復材料延長電極壽命。

6. 應用與未來方向

6.1 醫(yī)療領域

癱瘓患者的運動功能重建（如Neuralink臨床試驗）。

抑郁癥、帕金森病的深部腦刺激（DBS）。

6.2 消費級BCI

非侵入式頭戴設備（如Meta VR腦控交互）。

情緒識別與增強認知。

6.3 技術(shù)趨勢

無線化：植入式設備的無線供能與數(shù)據(jù)傳輸。

AI融合：深度學習提升信號解碼效率（如CNN-LSTM模型）。

生物雜交電極：結(jié)合活體細胞提升生物整合性。

7. 結(jié)論

腦機接口電極傳感技術(shù)是BCI系統(tǒng)的核心，其性能直接影響信號質(zhì)量與應用效果。未來，隨著材料科學、微納加工和AI算法的進步，更高精度、更安全的電極將推動BCI在醫(yī)療與消費領域的廣泛應用。

冠隆醫(yī)療腦機接口電極的解決方案是針對傳統(tǒng)濕電極在腦機接口(BCI)應用中存在的痛點而開發(fā)的創(chuàng)新產(chǎn)品。本方案采用專利設計的干式接觸技術(shù)，無需導電凝膠，實現(xiàn)了快速部署、長期穩(wěn)定和用戶友好的腦電信號采集，為醫(yī)療康復、神經(jīng)科學研究、智能假肢控制等腦機接口應用提供了理想的信號采集解決方案。

參考文獻（可選部分）

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Musk, E. (2019). "An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels." Neuralink.

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