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)的重要技術手段，廣泛應用于臨床診斷、神經(jīng)科學研究及腦機接口等領域。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，因此電極的設計需兼顧導電性、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)國際標準（如10-20系統(tǒng)），電極的放置位置需精確對應特定腦區(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、消費電子等領域延伸，電極的分類與技術革新也隨之多樣化。

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腦電電極的分類

腦電電極的分類方式多樣，包括按導電介質(zhì)、信號放大方式、放置位置及應用場景等。其中，按導電介質(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電介質(zhì)（如導電膏、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（如導電聚合物、金屬微針陣列等）或者獨特的結(jié)構(gòu)設計（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作用來傳導腦電信號。

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。

技術延伸：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)傷風險。

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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），適用于復雜環(huán)境（如MRI兼容設備）。

被動電極：依賴外部設備放大信號，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。

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腦電電極對比

在EEG導電性能對比中，通常按照是否需要額外導電介質(zhì)（導電膏、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)指標上與濕電極 EEG 系統(tǒng)相當，有應用潛力但也存在差異和局限。

應用場景與選擇建議

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導聯(lián)系統(tǒng)）或顱內(nèi)電極（如sEEG）。

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電極技術的前言與挑戰(zhàn)

混合電極設計

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動態(tài)釋放電解液，實現(xiàn)阻抗自適應調(diào)節(jié)。

生物兼容性材料

開發(fā)柔性導電聚合物（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、力學傳感器結(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)）。

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回映產(chǎn)品:AR-BCI 智能腦控頭盔

基于對腦電電極技術特性的深度解析，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計，進而構(gòu)建高適配性腦電采集設備，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訓練。

適應科室：

康復科、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》相關指標要求；

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：變化率 <±1mV/s、除顫后阻抗<1000Ω;

偏置電流耐受度：電壓變化 <100mV。