赵 倩， 谭浩然, 王西岳， 滕凯迪

(曲阜师范大学工学院，日照 276800)

《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》将“脑科学与认知”列为基础研究8个科学前沿问题之一[1]。脑电科学以脑部神经元、突触活动等电生理学基础为支撑，使用电极采集脑部的电信号，通过处理和分析，得到可视化的脑电图或包含电位信息的数字信号[2-3]。这些信号可以取代传统的、通过鼠标键盘输入的信号以实现人机交流和控制，因此如何广泛应用脑信号具有重要的研究意义。脑电信号的采集、处理与分析，是研究脑机接口(brain computer interface， BCI)技术的关键，而脑电采集电极的设计与制造正是脑电采集系统中的首要问题[4]。

1 脑电采集系统

脑电图是大脑活动时大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成，并由放置在头皮表面或植入颅内的电极采集记录的图谱，是使用电生理指标记录大脑活动的方法[5]。1929年Berger首次发表脑电波图并命名为脑电(electroencephalogram, EEG)[6]，自此EEG开始逐步用于临床医学的诊断，对脑部疾病的辨识、病态预报和防治具有重大意义[7]。如图1所示，脑电信号的采集系统主要包括：采集电极；信号隔离、放大、滤波器；模数转换器和无线输出模块[8]。脑电采集电极为处理设备与脑之间的传感器，选择或设计出适用于采集脑电信号的电极材料、保证采集脑电信号的质量是BCI技术获得良好综合性能的重要前提[9]。目前，国际上对脑电电极的研究集中在解决电极的可靠性和灵便性的问题。

图1 脑电采集系统示意图Fig.1 Schematic diagram of EEG acquisition system

2 脑电采集电极

如图2所示，脑电采集电极按植入方式分类可以分为有创和无创两种，有创即需要开颅手术植入电极，可分为完全植入电极和皮层表面电极两种[8]。无创即不需要进行开颅手术，在头皮或耳部进行采集。根据电化学原理，采集电极要求长时间采集不产生明显的极化现象，临床上一般采用Ag-AgCl电极或不锈钢、金、铂金作为无创头皮电极，采用不锈钢或铂铱合金作为颅内电极[10]。硬脑膜下电极植入视频脑电(vedio electroencephalogram, VEEG)监测是当前非常重要的致痫灶定位法，有创电极与脑组织接触紧密，阻抗低，脑电波幅值大，可以符合精准致痫灶定位的要求[11]。但开颅手术变数大，术后并发症多，已经确定的不良症状有感染、出血、脑内水肿、神经受损等[12]。颅内植入电极难对普通用户群体推广，真正被使用者接受的还是无创或者微创电极(多为头皮电极)。然而脑电信号穿过颅骨和头皮后信号已经非常微弱，这对电极设计和采集处理技术提出更高要求。无创电极又可以根据是否需要涂抹导电液或导电胶分为湿电极、干电极和半干电极[13-14]。

图2 脑电检测电极分类Fig.2 Classification of EEG detection electrodes

2.1 湿电极

湿电极为脑电采集的传统电极类型，一般采用Ag-AgCl做电极材料。进行脑电信号采集时，为了克服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)[15]。图3所示为一些导电膏产品图。湿电极作为脑电采集电极的“金标准”，有阻抗低、稳定、信噪比高和信号可靠的优势，在新型电极设计中通常需要以湿电极为标准对比接触阻抗、极化电位稳定性等性能来判断新型电极是否符合使用需求[16]。但是由于需要涂抹导电膏，实验准备过程复杂，湿电极存在难以改正的缺点[17]。例如:电极空间分辨率不高、被测者会有不适感、长时间采集导电膏会变干从而影响信号采集的精准度等，这些缺点使湿电极的使用很不方便，难以推广发展。Pedrosa等[18]开发了一种新型藻酸盐基水凝胶电极来代替传统需涂抹的EEG 电解质胶的湿电极，如图4和图5所示。该水凝胶在使用后不久便可以凝结成均质的固体，采用该水凝胶电极与传统的商业导电胶湿电极进行测试对比，结果表明，两种电极测量结果相似，且新型水凝胶电极更方便、更利于快速清洁，被测者的使用体验更优。Wu等[19]研究了一种新型凝胶传感器，以猪皮为原料制备的胶质基底并增加导电材料，该电极既有柔韧性，又具有较高的传输速率。这些都为水凝胶电极代替传统导电胶电极提供了思路。

图3 导电膏产品图Fig.3 Product diagram of conductive paste

图4 新型水凝胶电极残留与传统导电胶残留对比[18]Fig.4 The new hydrogel electrode is compared with the traditional conductive adhesive[18]

图5 取下电极盖后的水凝胶[18]Fig.5 The hydrogel after remove the electrode cap[18]

湿电极由于长期应用于临床，伴随其完善程度的增加，其创新点也随之减少，大量学者研究方向都为如何设计新型电极取代传统湿电极[20-21]。需要注意的是，虽然各类新型电极层出不穷，但是由于其测试的模式还没有统一标准，很难比较其测试结果是否优于传统电极，从而完全代替传统电极。Ag-AgCl已经成为湿电极制作的普遍材料，其可供改进的部分为设计制作更方便涂抹和清理的新型导电胶材料。若使用新型水凝胶代替传统导电胶，虽方便清理，但需兼顾其强度与导电性[22]。

2.2 干电极

干电极由于不需要涂抹液体导电胶，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[23]。但干电极的刚性材料无法紧密接触头部，尤其是有发区域，信噪比不够，容易对皮肤产生损伤，且阻抗过大不利于采集信号[8]。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。祝伟仝等[24]在便携脑电系统中应用了一种石墨烯干电极，其通过真空抽滤法将石墨烯附着到柔性织物基底上，通过黏胶增加涂层的耐摩擦形，实验证明该新型干电极能够实现脑电信号的高信噪比精确采集，并且满足长时间佩戴所需的耐摩擦性，石墨烯电极的本征阻抗及其采集的脑电信号质量并没有随时间发生明显变化，准确可靠，可以满足便携式脑电采集设备的要求。张砚召等[25]通过原位聚合的方法制作了一种石墨烯、聚丙烯酸共聚酯和织物的复合电极，如图6所示，织物采用聚丙烯无纺布，用聚丙烯酸共聚酯复合乳液浸渍后得到复合电极片，其具有良好的柔性和导电能力，使用方便，不会对皮肤造成损伤。在进行脑电信号检测的实验中，脑电信号的强度与稳定性与商用的Ag-AgCl电极性能相近，这为织物电极应用于脑电检测电极提供了思路。牛頔璠等[26]通过在织物电极中加入棉纱或黏胶性纱线，不仅增加了织物干电极的含水量，还同时优化了电极舒适性，由此可知增加吸湿棉线对织物电极设计或有积极意义。织物电极作为典型干电极，其创新空间较传统湿电极大的多，其独特优势为可以集成进纺织品衣物中，符合生物电信号日常监测需求[27]。但其主要问题为摩擦易产生影响、寿命不稳定、易受环境湿度影响以及需要考虑过敏反应等[28-30]。目前对织物电极的研究多针对肌电和心电检测，如何改进已有的织物电极以适应脑电幅值更小、波形复杂和检测时独特的头部环境等特点，是研究新型脑电检测干电极的重要方向[31]。

图6 石墨烯-聚丙烯酸共聚酯-织物复合电极[25]Fig.6 Graphene-polyacrylic acid copolyester-fabric composite electrode[25]

2.2.1 非接触式电极

非接触式电极是指电极片或电极针不与皮肤发生实际接触，故其不在皮肤表面形成实际电流，而是通过介质将头皮的电信号利用电感耦合原理导入放大电路。为了不受介质中数兆欧的阻抗影响，要求放大器的输入阻抗足够大[32]。如图7所示，刘景全等[33]发明了一种基于电容耦合原理的干电极，其电介质为4×4排列触角样的固化聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)，一端为头皮，另一端为金属板，利用电容的耦合原理实现极板与头皮非接触。此外触角样电介质可以克服头发的障碍，结构巧妙，采集信号质量更高。非接触式电极的独特优点为无需测前准备、对被测皮肤无状态要求以及不存在过敏问题等。其主要问题为将干电极缺点放大了，如更大的接触阻抗、更低的抗干扰能力。非接触式电极在脑电检测中优势明显，不需要去除头皮毛发、减少佩戴电极的抵触情绪[34-35]。针对应用于脑电检测非接触式电极的创新，应主要集中在装置集成、信号处理和整个系统结构优化等方向[36]。

2.2.2 微针电极

微针电极是指采用刺入方法穿过角质层的微针样电极，这种方法主要可以解决头皮角质高阻抗的问题，采集到的生物电信号更准确。然而，虽然它很大程度降低了接触阻抗，但是对头皮造成的损伤限制了它的应用[37]。现在微针阵列电极(microneedle array electrode, MNAE)已经成为研究热点，主要制备工艺有光刻、酸性溶液腐蚀、3D打印等方法，柔性衬底主要有PDMS、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)、聚对二甲苯基(parylene)等[38]。如图8所示，白建新[39]提出了一种基于微电子机械系统(microelectromechanical system, MEMS)制造工艺柔性微针阵列干电极，其创新点主要在PDMS软衬与金属层中间加了一层Parylene C薄膜，解决了PDMS层与金属层黏附不佳的问题，在与传统湿电极进行对比心电信号测试实验中，波形更清晰、幅值更稳定，但该研究中未提及此电极脑电信号采集测试的相关结果。Ren等[40]用柔性PDMS柱列制成的可弯曲型微针阵列电极，用柔性柱加刚性针的思路解决了长径微针电极容易折断的问题，其研究肯定了微针电极在脑电检测领域的前景。Satti等[41]用电镀金层的316 L不锈钢针做导电基底，用柔性PDMS做绝缘层，其研制的微针阵列电极具有很好的稳定性和耐久性，兼顾了生物相容性和导电性。脑电检测中的微针电极的难点主要是减少创伤和克服运动伪影敏感性，研究方向应为提高生产工艺以确保信号质量、寻找新型涂层以增强导电稳定性、改善针长度和结构以适应头部等[42-43]。

1为电介质；2为金属基底；3为PCB板；4为屏蔽罩图7 基于耦合原理的干电极[33]Fig.7 Dry electrode based on coupling principle[33]

L1、L2为电极边长, L1=L2=10 mm；H为衬底厚度, H=1 mm； d为微针底部直径,m1、m2为微针之间的间距；h为微针的高度； d、m1、m2、h的尺寸根据加工方案的不同可有多种设计图8 基于MEMS柔性微针阵列干电极示意图[39]Fig.8 Schematic diagram of dry electrode based on MEMS flexible microneedle array[39]

2.2.3 指状电极

所谓指状电极，即在一个导电单元上带有多个指状电极柱，在脑电信号检测时，多个电极柱可以与头皮角质层紧密接触。为了减少刚性材料对头皮的压迫感，该类干电极往往会采用机械缓冲结构。如图9所示，闫天翼等[44]发明了一种伸缩式脑电采集干电极单元，其螺丝、螺母和弹簧结构均采用316不锈钢，具有更好的抗氯化物腐蚀功能，电极采用传统氯化银材料，外壳采用聚碳酸酯(polycarbonate, PC)材料，轻型外壳和弹簧结构可以很好地提升被测者的舒适性。叶鹏飞等[45]在脑电睡眠监测实验中研发了一种新的干电极——碳黑聚氨酯弹性干电极，如图10所示。其目的是为了在便携式睡眠监测设备上增加脑电监测功能，尽可能方便临床检验阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea, OSA)疾病；其采用10～20导联法，将新型干电极与传统AgCl湿电极进行同时对比试验，结果显示新型电极对脑电识别准确性较高(尤其是清醒期的信号识别)，电极安装简单方便，为便携式设备的脑电监测提供了新思路。指状干电极以多头电极柱为特点直接与皮肤接触，结构形状区别于其他干电极，多与其他电极特点交叉，避免了针电极的侵入性。其难点仍为典型干电极的头皮接触阻抗问题，其创新一般伴随着新型材料与加工制造技术的发展[46]。

图9 伸缩式脑电采集干电极单元[44]Fig.9 Telescopic EEG dry-electrode unit[44]

图10 炭黑聚氨酯干电极[45]Fig.10 Carbon black polyurethane dry electrode[45]

2.2.4 电活性电极

特殊的有机材料，如聚丙烯酰胺可以在不同电压下产生形变，以此特性可以制作基于光电传感原理的干电极[47]。例如，Fernandes等[48]曾设计的一种可穿戴脑电帽中，正是使用光电传感原理制作的干电极，如图11所示。丙烯酰胺水凝胶(polyacryl-amide, PAAM)在外界电场变化时会发生弯曲，其体积和质量特性会发生变化，通过光纤导入的光信号经过这种水凝胶时折射也会发生变化，通过探测器可以将光信号的变化转化成电信号的变化。经估算，该方法可以检测到2 nV/cm的电场变化，符合脑电测试的要求。由于检测电极与头皮发生实际接触，其可归类为接触式干电极。

图11 电活性电极工作原理示意[47]Fig.11 Working principle of electroactive electrode[47]

2.3 半干电极(准干电极)

针对湿电极与干电极的缺陷，半干电极的原理如下：在压力施加下，电极腔内的电解质微量释放到头皮表面，建立相对稳定的电极——头皮界面[16]。宋延娟[49]研发了一种新型半柔性干电极——Ch/Au-TiO2干电极，以具有柔韧性的钛片作为干电极基底，通过电沉积等技术制备出包含二氧化钛和金的纳米薄膜，薄膜外层选用对聚合物有吸附力的壳聚糖作为接触媒介，具有创新性，多范式实验结果分析下效果与传统湿电极接近，特定范式下EEG信号特征明显。如图12所示，李广利等[16]研发了一种多孔陶瓷新型半干电极，渗透材料采用多孔陶瓷，电解质液体为氯化钠溶液，与传统湿电极对比进行稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potentials, SSVEP)范式结果高度相似，新型陶瓷半干电极具有优异的非极化性能接触面阻抗相对低且稳定，在脑机接口和可穿戴设备方面具有巨大应用前景。陈晓苏[50]发明了一种基于半干电极的脑电采集帽，如图13所示。其导电触点与储液装置内部连通，电极可选择金属或者导电织物等，创新点为尾部储液装置。

图12 新型多孔陶瓷半干电极[16]Fig.12 New porous ceramic semi-dry electrode[16]

该产品可以适应各种头型尺寸，符合人体工学设计，结合了半干电极与脑电帽设计的优点。Gao等[51]提出了一种新软刷状半干电极，使用碳涂层尼龙导电刷，具有低阻抗和电极柔软的优良性能。如图14所示，刷毛形结构可以克服头发障碍，能够直接连接到头皮，因此该电极创新性的使用饮用水代替盐水工作。经过α节律测量、P300视觉激发电位测量等实验，新软刷状半干电极比传统的盐水半干电极性能更优。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，又避免了干电极对皮肤的创伤。但是由于电解质的释放需要均匀的压力，其创新难点主要在寻找能持续可控释放电解质的电解质渗透材料，设计可以获得稳定电解质浓度的电极结构[52-54]。

1为环形头箍；2为半环形头箍；3为储液装置；4为抓手； 5为导电触点；6为滑块；7为定位旋钮；8为连接部； 9为悬臂；10为第二滑块；11为第二定位旋钮图13 半干电极脑电帽及半干电极结构示意图[50]Fig.13 Schematic diagram of semi-dry electrode EEG cap and semi-dry electrode structure[50]

图14 新型刷状半干电极[51]Fig.14 Novel bristle-shaped semi-dry electrode[51]

3 总结与展望

在医学领域，脑电图在检测癫痫、评估脑病变程度和检测脑部缺血等方面不可或缺，是神经重症监护室应用最广泛的影像学工具[55]。在游戏领域，脑机接口可以向用户提供区别于传统运动控制的输入信号，如已经完成的Brainball、MindGame等游戏，用户可以通过大脑想象完成游戏操作[56]。在教育研究领域，基于EEG的技术已经可以精准识别学生的情感和情绪，如Computer Aided Edeucationg System可以帮助老师对特殊学生进行更好的管理[57]。研究脑电信号极具价值，设计稳定获取符合需求信号的脑电极是一切研究工作的基础。

脑电电极面临的主要难点有头皮毛发对检测的干扰、长时间测试对电极稳定性的要求、侵入电极的安全性要求、非侵入电极低接触阻抗高导电性的要求、运动与动作下电极材料是否会损伤头部、恶劣温度湿度对检测的干扰、新型材料是否会造成敏感人群的过敏反应以及是否方便应用于便携检测设备等[58]。随着微电子技术、微纳制造技术、无线电通信技术和信号处理技术的飞速发展，新型电极的研发水平也得到显著提升[59]。当前研究热点集中在新型织物干电极、微针阵列干电极、弹性指状干电极及半干电极的设计，研究思路普遍为方便易携(高度集成)、操作简单、接触良好(低输入阻抗)、增强使用者体验(无创、好清理)、稳定可靠等。实现形式主要有优化电极的几何形状、改变电极的尺寸、优化电极的结构、寻找新的柔性材料或导电材料、优化电解质液体的稳定释放以及改进多材料复合电极的加工工艺(如3D打印技术)等[60]。

此外，脑电检测电极的设计离不开在采集系统的整体设计[61-62]，采集系统朝模块化、集成化、紧凑化发展(如后端处理电路小型化设计、采集电路与电极一体化等)，更高性能的放大器得到应用，更加科学的电极导联方式被推广[63]。而未来针对生物电传感器的突破，与新型材料的研发和材料加工技术的升级密不可分[64-65]。