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你知道该如何选择脑电采集电极吗?

EEG作为一种非侵入式的神经信号记录方法,与功能性核磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)、功能近红外光谱成像(Functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)、正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography,PET)等无创脑活动探测技术相比,具有时间分辨率高,装置相对简单,方便做成穿戴式设备用于BCI(Brain Computer Interface)或其他神经科学研究。

且伴随着无线技术、放大技术及集成电路不断地进步,脑电信号的采集和应用在可穿戴、脑信号溯源、疾病诊断、人机交互、生理监护、医疗健康等领域具有巨大的应用潜力[1]。

常见的穿戴式EEG系统,左为西班牙Neuroelectrics公司的无线脑电系统Enobio,中为荷兰TMSi公司的便携式脑电系统SAGA,右为美国BEL公司的高密度脑电系统

EEG是大脑头皮表面的电势分布,脑电电极则是用来传递或记录这些电势分布及变化的传感器。电极类型总的来说主要分为湿电极、干电极和半干式电极这三类。本文将介绍这三类电极的特点及适用领域,从而为如何选择适合研究的电极类型提供建议。

脑电电极分类

脑电湿电极

湿电极为脑电采集的传统电极类型,一般采用银/氯化银(Ag-AgCl )做电极材料。进行脑电信号采集时,为了降低电极与头皮之间的阻抗,需在电极与头皮间涂抹液态或糊状的导电介质( 导电膏或导电液)[2],导电膏中的氯、钾、钠等离子扩散进入人体皮肤的角质层,降低了电极与皮肤之间的接触阻抗。

因其阻抗低、稳定、信噪比高和信号可靠的优势,湿电极成为临床和科研脑电测量的主要选择和标准。

导电膏电极

湿电极的优点

  • 允许进行高密度脑电图记录;
  • 较高的信号质量;
  • 比干电极和半干电极更不容易受电源干扰和运动伪影的影响;
  • 支持长时间稳定记录;
  • 具备多种替代测量解决方案,如环形电极和cEGrid耳周电极格栅(专门测试耳朵周围的EEG脑电信号),并可与其他研究设备(即fNIRS和TMS)集成。

左为环形电极,电极安装固定快速,方便注射导电膏与经颅磁刺激整合效果好;右为cEGrid耳周电极格栅

湿电极的缺点

  • 测试前需要对头皮进行去角质处理,时间成本和操作复杂度高;
  • 对参与者来说舒适性较低,头发需要清洁;
  • 在长时间采集的应用场景下需要反复加注导电膏,耗时较繁琐;
  • 需专业人员操作,无法满足日常脑电监测需求。

适用领域:从采集信号的高信噪比来看,湿电极是脑电电极的“黄金标准”,被广泛应用于科研、认知和临床等研究领域。

脑电干电极

为了解决使用导电膏等带来的佩戴繁琐、难以长时间检测等问题,干电极在90年代首次被发明出来。

干电极由惰性导电材料组成,该材料与皮肤机械耦合以进行信号转导,由于不需要涂抹导电膏等,具有使用方便、使用者感觉舒适、易于便携式脑电设备的应用等显著优势。但由于干电极不使用导电凝胶或导电膏,因此干电极比湿电极的电极阻抗更高。

干电极根据是否与头皮接触可分为接触式干电极和非接触式干电极; 接触式干电极根据形状不同又可以分为微针电极、指状电极、混合电极等。

接触式干电极是干电极主要的研究方向。接触式干电极依据使用在人体的不同部位的特征,可以分为有发区域(头部)和无发区域(皮肤)。无发区域的干电极主要采集脑电多是放置在前额区域。与表皮信号采集相比,头皮脑电信号的采集面临更多困难,采集时需要解决头发造成的阻碍。头皮脑电研究主要通过电极的材料、外形结构的设计,使得其能够穿过头发稳定采集信号。

干电极的优点

  • 比湿电极的设置时间更快;
  • 不需要皮肤准备;
  • 适用于家庭测试;
  • (几乎)不需要清理;
  • 在某些情况下,无需经过培训即可使用。

干电极

干电极的缺点

  • 难以将电极固定在头皮上;
  • 信号不稳定性较强和阻抗更高;
  • 比湿电极更容易受到电源干扰和运动伪影的影响。

适用领域:主要应用于神经科学、神经反馈、增强认知、脑-机接口和心理学等研究领域,在未来脑机接口的转化上比较适用。

脑电半干电极

针对湿电极与干电极的不足之处,为了提高舒适性,保障信号质量,研究人员开始使用电解液取代导电膏。例如,一些半干电极使用水海绵与自来水或盐水来增加皮肤表面和电极之间的传导。

半干电极的原理是:电极自身拥有电解液容器,在使用过程中通过外部施加压力从特定结构中释放电解液,释放的电解液构成头皮和电极之间的离子通道。

半干电极原理示意图[4]

半干电极综合了传统电极与干电极的特点,既兼顾了降低阻抗所需要的电解质层,使用后又不会造成导电膏残留,并且避免了干电极可能对皮肤造成的创伤。

半干电极的优点

  • 比湿电极的设置时间更快;
  • 比湿电极更快速地清理;
  • 克服了在干电极中出现的高阻抗和信号不稳定问题;
  • 适用于家庭测试;
  • 在某些情况下,无需训练有素的技术人员即可实现。

海绵电极

半干电极的缺点

  • 需要额外的压力来实现连续释放电解液;
  • 与湿电极相比,干燥速度更快,因此需要更频繁地重新润湿;
  • 可以采取有限的措施来改善皮肤电极接触质量。

适用领域:适用于短时间测试使用,当受试者是老年人或者是儿童群体时,使用更方便。

如何选择适合的电极类型?

电极类型的选择取决于多种因素,包括所需的信号质量、时间限制、是否具备训练有素的技术人员,以及脑电系统的便携性等。

传统的湿电极由于其良好的信噪比和较高的重复性等优点成为临床和科研脑电测量的主要选择和标准。但其操作不便、舒适度差、持续操作时间短的缺点也限制了其在穿戴式日常动态脑电监测的应用。

当获取的脑电信号质量至关重要时,最佳选择是作为金标准的湿电极;当准备和清理时间至关重要时,并且没有训练有素的技术人员可测试时,干电极和半干电极是不错的选择;此外,由于半干电极相较于湿电极更舒适,相较于干电极更不易出现伪影,在许多情况下,半干式电极是首选。

与此同时,随着技术的不断发展完善,许多脑电系统都可配置多种电极,方便不同场景使用,如西班牙的NE脑电系统,既包含干电极又包括湿电极(导电膏电极),还有特殊电极即前额电极(仅用于前额测试),除了这些电极还有固体凝胶电极(它是市场上少有的固体凝胶电极)。

荷兰TMSi生产的SAGA脑电测试系统,常规电极以外,还包括环形电极(可以与经颅磁刺激共同采用)、杯状电极(Ag/AgCI杯状电极,耐久性好)、盐水电极以及特殊电极即cEGrid耳周电极格栅(专门测试耳朵周围的EEG脑电信号)。

我们为您提供多种类型的脑电采集系统,如需获取相关设备方案及报价,欢迎致电4006-111-556详询!

 

参考文献:

[1]Robinson A K, Venkatesh P, Boring M J, et al. Very high density EEG elucidates spatiotemporal aspects of early visual processing.[J]. Scientific Reports, 2017, 7(1).
[2] 贺 龙. 基于 STM32 和 ADS1298 的 24 导脑电采集系统研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学,2018.
[3]Hinrichs H,Scholz M,Baum A K,et al. Comparison between a wireless dry electrode EEG system with a conventional wired wet electrode EEG system for clinical applications [J]. Scientific Reports,2020,10( 1) : 5218.
[4] LOPEZ-GORDO M A,SANCHEZ-MORILLO D,VALLE F P.Dry EEG electrodes[ J].Sensors,2014 ,14(7) :12847-12870.

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