0 引言

    近年來(lái)，世界各國(guó)都加大了人腦研究的政府投入：歐盟已啟動(dòng)為期10年耗資10億英鎊的“歐洲人類大腦研究計(jì)劃”，希望能模擬一個(gè)完整大腦功能^[1]；美國(guó)啟動(dòng)為期10年投入數(shù)十億美元的“腦活動(dòng)繪圖”計(jì)劃^[2]；中國(guó)亦啟動(dòng) “中國(guó)大腦項(xiàng)目”。在人腦研究中，腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)是目前使用得最為廣泛的手段之一^[3]，應(yīng)用于生理監(jiān)測(cè)^[4-6]，神經(jīng)反饋訓(xùn)練^[7，8]，廣告營(yíng)銷^[9，10]，神經(jīng)及腦部相關(guān)疾病如癲癇、抑郁癥等的輔助診治，腦認(rèn)知功能研究，以及備受關(guān)注的腦機(jī)接口（BCI）領(lǐng)域。

    在腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)中，頭皮腦電相對(duì)于顱內(nèi)腦電采集技術(shù)具備無(wú)創(chuàng)的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于前額腦電能提供更多通道、更多腦區(qū)的腦電信號(hào)，用途更為廣泛。當(dāng)前頭皮腦電信號(hào)采集面臨以下問(wèn)題：(1)頭發(fā)遮蔽使得腦電電極無(wú)法直接接觸頭皮，或接觸頭皮面積小，導(dǎo)致頭皮-電極接觸阻抗大；(2)對(duì)于操作簡(jiǎn)易度和穿戴舒適度要求較高；(3)運(yùn)動(dòng)噪聲干擾及汗液短路使長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)頭皮腦電采集存在巨大的挑戰(zhàn)。

    本文首先研究了腦電的傳導(dǎo)模型，然后系統(tǒng)分析了關(guān)鍵的幾類頭皮腦電采集技術(shù)：濕電極技術(shù)、半干電極技術(shù)、干式接觸電極技術(shù)、非接觸式采集技術(shù)、有源電極技術(shù)，可穿戴頭皮腦電采集系統(tǒng)，并對(duì)各種采集技術(shù)進(jìn)行總結(jié)評(píng)估。最后，對(duì)頭皮腦電采集技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)提出一些展望，為后續(xù)研究提供借鑒。

1 腦電傳導(dǎo)模型

    腦電信號(hào)(EEG)是頭皮電極對(duì)腦電位振蕩的記錄。電位由電偶極子相互作用產(chǎn)生。電偶極子的極點(diǎn)可被看作是離子電流的源和匯，由體細(xì)胞過(guò)量的陽(yáng)離子的極點(diǎn)為源，細(xì)胞樹(shù)突尖端缺少陽(yáng)離子的極點(diǎn)為匯。離子可以自由移動(dòng)通過(guò)腦脊液和腦組織，從而形成離子電流，如圖1。由腦電電極對(duì)這些電位幅度變化的記錄，即為腦電信號(hào)^[11]。

    在腦電采集和處理過(guò)程中，能否測(cè)量得到高質(zhì)量的EEG信號(hào)依賴于電極和頭皮之間電子通道的可靠性，這要求非常低的和穩(wěn)定的電極本體阻抗以及頭皮-電極接觸阻抗。而角質(zhì)層不導(dǎo)電，這使得頭皮-電極接觸阻抗因角質(zhì)層的存在而特別大。在頻率分別為1 Hz和1 MHz下，每平方厘米的角質(zhì)層的阻抗分別為200 kΩ和200 Ω^[12]。神經(jīng)信號(hào)由離子電流通過(guò)體液傳導(dǎo)到頭皮表面，然后由放置在頭皮上的電極捕獲，電極將離子電流轉(zhuǎn)化成電子電流傳導(dǎo)到后端采集系統(tǒng)。目前腦電電極主要分為兩大類：一類是基于導(dǎo)電膠/膏的濕電極，一類是無(wú)需導(dǎo)電膠的干式電極。第二類還可以細(xì)分為半干式電極和全干式電極。

2 頭皮腦電技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 濕電極技術(shù)

    濕電極技術(shù)采用導(dǎo)電凝膠降低電極-頭皮接觸阻抗，因?yàn)閷?dǎo)電凝膠可以穿透頭發(fā)使得頭皮表面和高阻抗皮膚角質(zhì)層變得潤(rùn)濕，甚至可能穿透汗腺和毛孔滲透到皮膚的內(nèi)層。濕電極技術(shù)因其頭皮-電極阻抗小(大約為5～20 kΩ)，與其良好的信噪比和較高的可靠性^[13，14]等優(yōu)點(diǎn)，已成為臨床和科研腦電測(cè)量的主要選擇和標(biāo)準(zhǔn)。但是，傳統(tǒng)濕電極存在以下問(wèn)題：(1)測(cè)試前需要對(duì)頭皮做去角質(zhì)處理，時(shí)間成本和操作復(fù)雜度高；(2)在電極-頭皮接觸面需加入導(dǎo)電凝膠，致使測(cè)試完畢后需要清洗頭發(fā)；(3)導(dǎo)電凝膠隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)脫水硬化致使頭皮-電極接觸電阻增大，影響測(cè)試結(jié)果；(4)頭發(fā)影響腦電信號(hào)采集的信噪比；(5)無(wú)法支持日常長(zhǎng)期腦電監(jiān)測(cè)的需要。尤其是步驟繁瑣和穿戴不適的問(wèn)題使得操作者和受試者諸多抱怨。

2.2 半干電極技術(shù)

    為了克服濕電極技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，近幾年來(lái)基于非導(dǎo)電膠/膏的干電極和半干電極技術(shù)成為研究熱點(diǎn)^[15-17]。半干電極的原理是：電極本體內(nèi)具有盛有電解液的容器，在使用過(guò)程中通過(guò)外部施加壓力從特定結(jié)構(gòu)中釋放電解液，釋放的電解液構(gòu)成頭皮和電極之間的離子通道，如圖2所示。這種電極不需要導(dǎo)電膠，并且能部分解決濕電極準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、需要進(jìn)行皮膚處理的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[15]提出了一種半干電極，主要通過(guò)電極頭中的多孔陶瓷的毛細(xì)作用力，均勻并能長(zhǎng)時(shí)間向頭部釋放少量電解液。其阻抗很小（44.4±16.9 kΩ，且在8小時(shí)內(nèi)阻抗最大增加20 kΩ），在10位受試者（2位女性，8位男性）的睜閉眼實(shí)驗(yàn)中，這種半干電極與濕電極的平均相關(guān)度為93.8%±3.7%；在SSVEPs實(shí)驗(yàn)中，平均相關(guān)度為93.7%±2.7%，在以12 Hz、15 Hz和20 Hz頻率閃爍SSVEPs實(shí)驗(yàn)中，半干電極和濕電極的信號(hào)頻譜圖基本無(wú)差異，都在12 Hz、15 Hz和20 Hz處有極大值。由于這種電極能長(zhǎng)期釋放電解液，能對(duì)腦電進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量。半干電極的技術(shù)問(wèn)題如下：首先，需要額外的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)釋放電解液；其次，在壓力作用下，電極有可能損壞；更重要的是，外部壓力不受控，不均勻的壓力使釋放的電解液量不一致，導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定^[17]。在一次釋放較多電解液的情況下，兩個(gè)電極之間極易發(fā)生短路。

2.3 接觸式干電極技術(shù)

    近幾年干電極技術(shù)研究成為熱點(diǎn)。在接觸式和非接觸式兩種主要干電極^[18]中，較多使用的是接觸式。接觸式干電極也主分為兩類：一類是侵入式，可以刺破頭皮角質(zhì)層；另一類是非侵入式^[19，20]。

2.3.1 侵入式電極

    MEMS微針陣列干電極^[21]，電極的微針直徑一般為納米級(jí)或微米級(jí)，且材質(zhì)為堅(jiān)硬金屬或表面涂有導(dǎo)電材料的晶硅^[22]。其能刺破角質(zhì)層，會(huì)刺激頭皮并帶來(lái)感染風(fēng)險(xiǎn)^[23]，故較少使用。

2.3.2 非侵入式金屬電極

    對(duì)于非侵入式電極，為突破頭發(fā)的遮蔽，透過(guò)頭發(fā)測(cè)量頭部區(qū)域的腦電信號(hào)，減小頭皮-電極的阻抗，一般也會(huì)使用針式結(jié)構(gòu)，其探針直徑為毫米級(jí)別，且使用導(dǎo)電性能好的金屬，如金、銀、銅等^[24-30]，如圖3。為使電極與頭皮接觸緊密，在使用過(guò)程中須施加壓力，而金屬探針?lè)浅?jiān)硬會(huì)讓使用者感到不適。為保證舒適度就必須減小施加的壓力大小，而減小壓力會(huì)增加接觸阻抗。為防止接觸阻抗因此增加，必須進(jìn)一步提高電極的導(dǎo)電性能，有些研究在金屬探針上面涂層導(dǎo)電性能較好的材料，如石墨烯或PEDOT等^[31，32]，圖3(a)中，利用聚吡咯石墨烯納米復(fù)合物對(duì)電極的探頭進(jìn)行修飾。有研究在金屬探針下面裝置彈簧起到緩沖效果，如圖4，當(dāng)向電極施加較大壓力使得電極與頭皮接觸更好時(shí)，彈簧的緩沖作用不會(huì)讓使用者感到不適^[33，34]。文獻(xiàn)[31]中提出的干電極與濕電極在不同腦區(qū)進(jìn)行了腦電信號(hào)的測(cè)試對(duì)比，信號(hào)線性相關(guān)度均在90%以上。并利用干電極測(cè)得的EEG信號(hào)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在閉眼狀態(tài)下α波(8~12 Hz)出現(xiàn)的次數(shù)增多，符合在閉眼狀態(tài)下α波易出現(xiàn)的規(guī)律，符合醫(yī)學(xué)界現(xiàn)今認(rèn)可的有關(guān)腦電信號(hào)分解波段波形特征的描述。進(jìn)一步表明所設(shè)計(jì)制備的新型干電極能夠準(zhǔn)確檢測(cè)頭皮腦電信號(hào)。

2.3.3 柔性電極

    為克服金屬電極的缺點(diǎn)，不少團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究柔性電極。柔性電極以柔性導(dǎo)電材料為基材制備。多數(shù)是摻雜型導(dǎo)電材料，即基體為不導(dǎo)電的硅膠橡膠等，摻入導(dǎo)電性能良好的材料，如碳黑、碳納米管、石墨烯、銀粉或其他金屬系或碳系納米顆粒增加其導(dǎo)電性^[35，36]，試樣如圖5所示。這種柔性電極有很好的柔軟性，并在頭發(fā)區(qū)域與濕電極獲取腦電信號(hào)的相關(guān)度高達(dá)約97.85%。有些柔性電極以柔軟性的材料為基底，在電極表面鍍上導(dǎo)電性能良好的金或者石墨烯，使電極具有導(dǎo)電性。文獻(xiàn)[37]中，提出了一種以PDMS材料為基底，電極表面鍍上金。文獻(xiàn)中通過(guò)13根探針和21根探針的電極驗(yàn)證增大電極與頭皮的接觸面積能降低頭皮-電極阻抗，且其在頭發(fā)區(qū)域（POz）與濕電極所測(cè)得的腦電信號(hào)的相關(guān)度為90%，無(wú)發(fā)區(qū)域（FP2）相關(guān)度為92%。

2.4 非接觸式采集技術(shù)

    非接觸式電極相當(dāng)于一個(gè)電容耦合到皮膚，可不用直接接觸皮膚而采集到生物電信號(hào)。這種電極記錄的腦電信號(hào)幅度小，并會(huì)因頭部運(yùn)動(dòng)而改變頭皮-電極的電容，受運(yùn)動(dòng)干擾較大^[38]，此時(shí)需要將電極設(shè)計(jì)為有源電極，電極需增加有源電路模塊，才能采集到性能較好的腦電信號(hào)，如圖6。其體積較大，且受頭部運(yùn)動(dòng)的影響大。文獻(xiàn)[39]所提的非接觸式干電極實(shí)驗(yàn)表明采集的腦電信號(hào)與同區(qū)域的濕電極采集到的腦電信號(hào)的相關(guān)度為92.05%；并對(duì)其和濕電極做5小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間腦電測(cè)量，通過(guò)采集的腦電信號(hào)波形可以看出，非接觸式干電極可以長(zhǎng)期采集到穩(wěn)定的腦電，而濕電極因?qū)щ娔z隨時(shí)間變長(zhǎng)而硬化，導(dǎo)致所采集腦電的性能變差。

2.5 有源電極技術(shù)

    對(duì)于頭皮腦電信號(hào)采集，因頭發(fā)阻擋，電極頭皮接觸面積小，接觸阻抗大，為采集到可靠和穩(wěn)定的腦電信號(hào)，往往需將電極設(shè)計(jì)為有源電極，增加有源電路模塊。對(duì)于一般的有源電極電路，通常是電容與運(yùn)算放大器的輸入節(jié)點(diǎn)串聯(lián)，以消除直流偏移和減小相位失真^[40]。有源電路的輸入端連接高輸入阻抗，確保運(yùn)算放大器工作在有源區(qū)。有源電路能減少信號(hào)的衰減、相位畸變和增大共模抑制比（CMRR）^[41]。文獻(xiàn)[41]中有源金屬梳狀電極，其采集的腦電信號(hào)與同區(qū)域的濕電極采集到的腦電信號(hào)的相關(guān)度大約為96%，厚頭發(fā)個(gè)體與薄頭發(fā)個(gè)體的信號(hào)的信噪比分別為6.94 dB和7.83 dB，結(jié)果表明，在電極很好接觸頭皮的情況下，頭發(fā)厚度對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響不明顯；SSVEPs實(shí)驗(yàn)的頻譜圖也表明所提出電極采集信號(hào)的有效性。圖7為有源柔性梳狀電極，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)電材料的含量，使得電極的導(dǎo)電性能最好，其阻抗減小到僅比傳統(tǒng)濕電極大約10倍，在閉眼狀態(tài)下采集的腦電信號(hào)能清楚地觀察到α波，并且在頭發(fā)區(qū)域信號(hào)與濕電極所采集的信號(hào)的相關(guān)度約為70%以上^[42]，在閉眼狀態(tài)下信號(hào)的SNR比濕電極采集的信號(hào)的SNR稍低。

2.6 頭皮腦電采集系統(tǒng)集成技術(shù)

    目前，除去醫(yī)院和研究院所的專業(yè)腦電采集設(shè)備，小型化便攜式穿戴式腦電采集設(shè)備也飛速發(fā)展。由Cognionics公司研發(fā)的“HD-72”頭盔^[43]，支持64個(gè)通道并加上8個(gè)輔助通道用于其他生理監(jiān)測(cè)，如ECG/EMG/呼吸/GSR等，是一款真正多通道的EEG頭盔，如圖8(a)所示；美國(guó)腦電波廠商Emotiv的產(chǎn)品“Epoc”^[44]主要針對(duì)的是游戲玩家，是一款基于PC平臺(tái)為專業(yè)玩家打造的腦波產(chǎn)品，如圖8(b)；由g.tec公司研發(fā)的“g.Nautilus-PRO”^[45]，其電極是由性能良好的g.SAHARA電極的干電極組成，完全防水的特性使其易于清潔，如圖8(c)；Neuroelectrics公司研發(fā)的“STARSTIM”系列產(chǎn)品^[46]，包括8通道、20通道和32通道等產(chǎn)品，其后臺(tái)的智能軟件與云平臺(tái)，為獲取的EEG信號(hào)提供可靠的處理和支持，如圖8(d)。由于穿戴式腦電技術(shù)還處于初級(jí)階段，民用化的腦電采集穿戴式產(chǎn)品采用的多是金屬電極，測(cè)量準(zhǔn)確度有限，且大部分停留在產(chǎn)品原型和應(yīng)用初期階段，還存在很大的技術(shù)發(fā)展空間。

3 發(fā)展趨勢(shì)與問(wèn)題探討

    伴隨著人腦探測(cè)的熱潮，以及腦機(jī)接口的推廣，頭皮腦電采集技術(shù)將迎來(lái)一個(gè)高速發(fā)展期。由于存在著頭發(fā)遮蔽、運(yùn)動(dòng)干擾、出汗影響等諸多問(wèn)題，頭皮腦電采集挑戰(zhàn)巨大。未來(lái)其發(fā)展將著重在新型材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)和加工工藝、以及系統(tǒng)集成三個(gè)方面，以達(dá)到高性能、良好舒適度的優(yōu)點(diǎn)，滿足長(zhǎng)期日常動(dòng)態(tài)頭皮腦電監(jiān)測(cè)的需求。

3.1 新型材料

    由于避免了導(dǎo)電膠和復(fù)雜操作，頭皮腦電干式電極將成為研究重點(diǎn)，并將向著柔性、低成本和易于加工的方向發(fā)展。柔性電極一般以聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅膠和三元乙丙橡膠(EPDM)等價(jià)格較低廉的材料為基材，保證電極的柔軟度。為使電極具有導(dǎo)電性，在其表面鍍上導(dǎo)電性能好的材料，如金、銀、石墨烯或聚吡咯石墨烯等；或在其內(nèi)部摻雜電性能好的材料，如銀粉、碳、碳納米管或金屬納米顆粒等，并在電極表面涂上金、石墨烯或PEDOT導(dǎo)電性能好的涂層，增加電極的導(dǎo)電性。新型柔性材料和新型導(dǎo)電材料如石墨烯的發(fā)展將極大推動(dòng)頭皮腦電采集技術(shù)的發(fā)展。

3.2 先進(jìn)結(jié)構(gòu)和加工工藝

    對(duì)于電極的基底，一般采用3D打印或者鑄模的方法進(jìn)行制備，對(duì)于MEMS 微針陣列干電極，其探針的直徑達(dá)到納米級(jí)，一般采用3D打印技術(shù)；頭發(fā)區(qū)域的干電極，其探針直徑一般為毫米級(jí)別，采用鑄模技術(shù)。電極在澆注成型時(shí)，在其中加入比例適合導(dǎo)電物質(zhì)，使電極具有導(dǎo)電性；或?qū)沧⒊尚偷碾姌O浸泡于有機(jī)導(dǎo)電聚合物（如PEDOT:PSS）中，并置于在真空箱中，隨后烘干，使結(jié)構(gòu)表面涂覆一層有機(jī)導(dǎo)電聚合物；或用濺射工藝將金屬涂層噴到電極表面，使得電極具有導(dǎo)電性。除去3D打印、澆注成型、涂層、鍍層、參雜的工藝等，一些先進(jìn)的輔助結(jié)構(gòu)也將成為后續(xù)研究的研究重點(diǎn)，比如彈簧式的結(jié)構(gòu)用于緩沖電極與頭皮之間的壓力從而達(dá)到穿戴舒適的目標(biāo)，毛細(xì)孔式的結(jié)構(gòu)用于釋放導(dǎo)電液物質(zhì)。另一方面采用先進(jìn)結(jié)構(gòu)或者材料吸收汗液，以防因汗液引起相鄰電極間的短路，這是動(dòng)態(tài)日常腦電監(jiān)測(cè)必須保障的條件。

3.3 系統(tǒng)集成

    頭皮腦電采集系統(tǒng)主要包括無(wú)線腦電獲取模塊，前端信號(hào)處理模塊和后端信號(hào)分析模塊^[47]。經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)藍(lán)牙發(fā)送到智能軟件與云平臺(tái)，為獲取的EEG信號(hào)提供可靠的處理和支持。對(duì)于無(wú)線腦電獲取模塊，基于多通道采集腦電信號(hào)，較常見(jiàn)的是20通道、32通道和64通道，目前也有基于72通道的腦電采集系統(tǒng)（8個(gè)輔助通道用于其他生理監(jiān)測(cè)，如ECG/EMG/呼吸/ GSR等）。多通道腦電采集系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)全頭部區(qū)域的腦電信號(hào)，減少某些通道出現(xiàn)故障、受到頭部運(yùn)動(dòng)或眼動(dòng)肌動(dòng)的影響而干擾對(duì)腦電信號(hào)的分析，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。穿戴式頭皮腦電監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向之一是后端處理電路的小型化，前端采集電路如濾波放大電路的微型化與電極集成一體化，以及前端后端的協(xié)同濾波降噪設(shè)計(jì)等。

4 結(jié)語(yǔ)

    頭皮腦電采集技術(shù)常用的濕電極由于其良好的信噪比和較高的可靠性等優(yōu)點(diǎn)成為臨床和科研腦電測(cè)量的主要選擇和標(biāo)準(zhǔn)。其操作不便、舒適度差、持續(xù)操作時(shí)間短的缺點(diǎn)也限制了其在穿戴式日常動(dòng)態(tài)腦電監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。新型腦電電極的研究向高性能（如半干電極、金屬電極和有源電極）、良好舒適度（如柔性電極）的方向發(fā)展，但目前所提出的各種電極仍存在諸如導(dǎo)電性差、體積大、加工工藝復(fù)雜、串?dāng)_等問(wèn)題，使得頭皮腦電采集技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。未來(lái)將著重在新型材料，先進(jìn)結(jié)構(gòu)和加工工藝，以及系統(tǒng)集成三個(gè)方面發(fā)展，推動(dòng)頭皮腦電技術(shù)朝著生活空間的日常動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期腦電監(jiān)測(cè)的目標(biāo)發(fā)展，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域如腦科學(xué)和腦機(jī)接口等的發(fā)展。

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文獻(xiàn)[21]-[47]略

作者信息：

張發(fā)華，舒  琳，邢曉芬

（華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州510641）