概要

腦電圖（EEG）是一種通過電極采集大腦神經(jīng)電活動的無創(chuàng)檢測技術(shù)，廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學、神經(jīng)科學研究、腦機接口（BCI）及消費電子領(lǐng)域。電極作為EEG信號采集的核心部件，其技術(shù)特性直接影響信號質(zhì)量、抗干擾能力和用戶體驗。本文系統(tǒng)分析了EEG電極的類型、材料、阻抗特性、信號處理要求及新興技術(shù)，并結(jié)合不同應(yīng)用場景提出選型建議，為EEG系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：腦電圖（EEG）、電極技術(shù)、信號質(zhì)量、選型分析、腦機接口

一. 引言

EEG技術(shù)通過頭皮表面電極記錄大腦神經(jīng)元集群的電活動，其信號幅度通常在微伏（μV）級別，易受環(huán)境噪聲和電極-皮膚接觸阻抗的影響。電極的選型與設(shè)計需綜合考慮信號保真度、佩戴舒適性、長期穩(wěn)定性和成本等因素。本文從技術(shù)特性出發(fā)，探討不同電極的適用場景，并給出選型指導(dǎo)。

二. EEG電極技術(shù)特性分析

2.1 電極類型

(1) 濕電極（Wet Electrodes）

原理：使用導(dǎo)電凝膠（如Ag/AgCl電解質(zhì)）降低皮膚-電極阻抗。

優(yōu)點：阻抗低（通常<5 kΩ），信號質(zhì)量高，適用于臨床和科研。

缺點：需專業(yè)操作，凝膠可能干燥導(dǎo)致信號衰減，長時間佩戴不適。

(2) 干電極（Dry Electrodes）

原理：直接通過金屬觸點（如金、銀涂層）接觸頭皮，無需凝膠。

優(yōu)點：快速部署，適合可穿戴設(shè)備（如NeuroSky、Muse頭環(huán)）。

缺點：阻抗較高（>20 kΩ），易受運動偽影干擾。

(3) 半干電極

原理：結(jié)合少量液體（如微流體鹽水）改善接觸阻抗。

優(yōu)點：平衡信號質(zhì)量與舒適性，適合長期監(jiān)測。

2.2 電極材料

2.3 阻抗特性

目標阻抗：<10 kΩ（理想<5 kΩ），高阻抗會導(dǎo)致信號衰減和噪聲增加。

降低方法：

(1)濕電極：導(dǎo)電凝膠 + 皮膚打磨。

(2)干電極：多觸點設(shè)計（如g.tec HD-Dry）或主動阻抗補償電路。

2.4 空間分辨率與布局

標準10-20系統(tǒng)：19-21電極覆蓋主要腦區(qū)（如Fp1、Cz、O1等）。

高密度EEG：64-256通道，用于精準腦源定位（如研究癲癇病灶）。

2.5 信號放大與濾波

A.放大器要求：

輸入阻抗 >100 MΩ（避免信號分流）。

共模抑制比（CMRR）>80 dB（抑制50/60 Hz工頻干擾）。

B.濾波范圍：

(1)高通濾波（>0.1 Hz）去除基線漂移。

(2)低通濾波（<100 Hz）抑制肌電噪聲。

2.6 運動偽影與抗干擾

主要干擾源：眨眼、肌電（EMG）、電極移動。

抑制技術(shù)：

(1)硬件：驅(qū)動屏蔽、右腿驅(qū)動（RLD）電路。

(2)軟件：獨立成分分析（ICA）、自適應(yīng)濾波。

3. EEG電極選型分析

3.1 臨床醫(yī)學應(yīng)用

需求：高信號質(zhì)量、長期穩(wěn)定性。

推薦：Ag/AgCl濕電極 + 高CMRR放大器（如BioSemi、Neuroscan系統(tǒng)）。

3.2 科研與腦機接口（BCI）

需求：高時空分辨率、抗干擾能力。

推薦：高密度干電極（如g.tec HD-Dry）或半干電極。

3.3 消費級與可穿戴設(shè)備

需求：便攜性、舒適性、低成本。

推薦：柔性干電極（如Muse頭帶）或?qū)щ娋酆衔镫姌O。

3.4 長期監(jiān)測與健康監(jiān)護

需求：低刺激、生物兼容性。

推薦：半干電極或微針陣列電極（穿透角質(zhì)層，降低阻抗）。

4. 新興技術(shù)與未來趨勢

(1).柔性電極：基于石墨烯或液態(tài)金屬，提高舒適性。

(2).無線EEG系統(tǒng)：低功耗藍牙/Wi-Fi傳輸，適用于移動場景。

(3).光學EEG：采用近紅外光譜（fNIRS）結(jié)合電生理信號。

(4).AI輔助信號處理：深度學習去噪，提升信噪比。

5. 結(jié)論

EEG電極的選型需綜合考慮信號質(zhì)量、應(yīng)用場景和用戶體驗。濕電極適用于高精度臨床檢測，干電極更適合消費級設(shè)備，而半干電極在長期監(jiān)測中具有優(yōu)勢。未來，柔性材料、無線傳輸和AI算法將推動EEG技術(shù)向更便攜、智能化的方向發(fā)展。

參考文獻

Niedermeyer, E., & da Silva, F. L. (2005). Electroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields.

Lopez-Gordo, M. A., et al. (2014). "Dry EEG Electrodes." Sensors, 14(7), 12847-12870.

Teplan, M. (2002). "Fundamentals of EEG Measurement." Measurement Science Review, 2(2), 1-11.