0 引言

    近年來,，世界各國都加大了人腦研究的政府投入：歐盟已啟動為期10年耗資10億英鎊的“歐洲人類大腦研究計劃”,，希望能模擬一個完整大腦功能^[1]；美國啟動為期10年投入數(shù)十億美元的“腦活動繪圖”計劃^[2],；中國亦啟動 “中國大腦項目”,。在人腦研究中，腦電信號監(jiān)測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^[4-6],，神經(jīng)反饋訓(xùn)練^[7，8],，廣告營銷^[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,。

    在腦電信號監(jiān)測中,，頭皮腦電相對于顱內(nèi)腦電采集技術(shù)具備無創(chuàng)的優(yōu)點，相對于前額腦電能提供更多通道,、更多腦區(qū)的腦電信號,，用途更為廣泛。當(dāng)前頭皮腦電信號采集面臨以下問題：(1)頭發(fā)遮蔽使得腦電電極無法直接接觸頭皮,，或接觸頭皮面積小,，導(dǎo)致頭皮-電極接觸阻抗大；(2)對于操作簡易度和穿戴舒適度要求較高,；(3)運動噪聲干擾及汗液短路使長期動態(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)，并對各種采集技術(shù)進(jìn)行總結(jié)評估,。最后,，對頭皮腦電采集技術(shù)的發(fā)展趨勢提出一些展望,，為后續(xù)研究提供借鑒。

1 腦電傳導(dǎo)模型

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

    在腦電采集和處理過程中，能否測量得到高質(zhì)量的EEG信號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)信號由離子電流通過體液傳導(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,，因為導(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，已成為臨床和科研腦電測量的主要選擇和標(biāo)準(zhǔn),。但是,，傳統(tǒng)濕電極存在以下問題：(1)測試前需要對頭皮做去角質(zhì)處理，時間成本和操作復(fù)雜度高,；(2)在電極-頭皮接觸面需加入導(dǎo)電凝膠,，致使測試完畢后需要清洗頭發(fā)；(3)導(dǎo)電凝膠隨著使用時間延長會脫水硬化致使頭皮-電極接觸電阻增大,，影響測試結(jié)果,；(4)頭發(fā)影響腦電信號采集的信噪比,；(5)無法支持日常長期腦電監(jiān)測的需要。尤其是步驟繁瑣和穿戴不適的問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,，近幾年來基于非導(dǎo)電膠/膏的干電極和半干電極技術(shù)成為研究熱點^[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,，在使用過程中通過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)備時間長、需要進(jìn)行皮膚處理的缺點,。文獻(xiàn)[15]提出了一種半干電極,，主要通過電極頭中的多孔陶瓷的毛細(xì)作用力，均勻并能長時間向頭部釋放少量電解液,。其阻抗很?。?4.4±16.9 kΩ，且在8小時內(nèi)阻抗最大增加20 kΩ）,，在10位受試者（2位女性,，8位男性）的睜閉眼實驗中，這種半干電極與濕電極的平均相關(guān)度為93.8%±3.7%,；在SSVEPs實驗中,，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實驗中,，半干電極和濕電極的信號頻譜圖基本無差異，都在12 Hz,、15 Hz和20 Hz處有極大值,。由于這種電極能長期釋放電解液，能對腦電進(jìn)行長期測量,。半干電極的技術(shù)問題如下：首先,，需要額外的壓力來實現(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)致信號不穩(wěn)定^[17],。在一次釋放較多電解液的情況下,，兩個電極之間極易發(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。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或微米級,，且材質(zhì)為堅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,，會刺激頭皮并帶來感染風(fēng)險^[23],，故較少使用。

2.3.2 非侵入式金屬電極

    對于非侵入式電極,，為突破頭發(fā)的遮蔽,，透過頭發(fā)測量頭部區(qū)域的腦電信號，減小頭皮-電極的阻抗,，一般也會使用針式結(jié)構(gòu)，其探針直徑為毫米級別,，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,，在使用過程中須施加壓力,，而金屬探針非常堅硬會讓使用者感到不適。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,，彈簧的緩沖作用不會讓使用者感到不適^[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)行了腦電信號的測試對比,，信號線性相關(guān)度均在90%以上。并利用干電極測得的EEG信號進(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)腦電信號分解波段波形特征的描述,。進(jìn)一步表明所設(shè)計制備的新型干電極能夠準(zhǔn)確檢測頭皮腦電信號,。

2.3.3 柔性電極

    為克服金屬電極的缺點，不少團(tuán)隊開始研究柔性電極,。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13根探針和21根探針的電極驗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）與濕電極所測得的腦電信號的相關(guān)度為90%，無發(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。這種電極記錄的腦電信號幅度小,，并會因頭部運動而改變頭皮-電極的電容,，受運動干擾較大^[38]，此時需要將電極設(shè)計為有源電極,，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,，如圖6。其體積較大,，且受頭部運動的影響大,。文獻(xiàn)[39]所提的非接觸式干電極實驗表明采集的腦電信號與同區(qū)域的濕電極采集到的腦電信號的相關(guān)度為92.05%；并對其和濕電極做5小時的長時間腦電測量,，通過采集的腦電信號波形可以看出,，非接觸式干電極可以長期采集到穩(wěn)定的腦電，而濕電極因?qū)щ娔z隨時間變長而硬化,，導(dǎo)致所采集腦電的性能變差,。

2.5 有源電極技術(shù)

    對于頭皮腦電信號采集，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,，往往需將電極設(shè)計為有源電極,，增加有源電路模塊。對于一般的有源電極電路,，通常是電容與運算放大器的輸入節(jié)點串聯(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,，確保運算放大器工作在有源區(qū),。有源電路能減少信號的衰減、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，其采集的腦電信號與同區(qū)域的濕電極采集到的腦電信號的相關(guān)度大約為96%,，厚頭發(fā)個體與薄頭發(fā)個體的信號的信噪比分別為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)厚度對信號質(zhì)量的影響不明顯,；SSVEPs實驗的頻譜圖也表明所提出電極采集信號的有效性。圖7為有源柔性梳狀電極,，通過調(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)下采集的腦電信號能清楚地觀察到α波,，并且在頭發(fā)區(qū)域信號與濕電極所采集的信號的相關(guān)度約為70%以上^[42]，在閉眼狀態(tài)下信號的SNR比濕電極采集的信號的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個通道并加上8個輔助通道用于其他生理監(jiān)測,，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,；美國腦電波廠商Emotiv的產(chǎn)品“Epoc”^[44]主要針對的是游戲玩家，是一款基于PC平臺為專業(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，其后臺的智能軟件與云平臺,，為獲取的EEG信號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)展趨勢與問題探討

    伴隨著人腦探測的熱潮，以及腦機(jī)接口的推廣,，頭皮腦電采集技術(shù)將迎來一個高速發(fā)展期,。由于存在著頭發(fā)遮蔽、運動干擾,、出汗影響等諸多問題,，頭皮腦電采集挑戰(zhàn)巨大。未來其發(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)集成三個方面，以達(dá)到高性能,、良好舒適度的優(yōu)點,，滿足長期日常動態(tài)頭皮腦電監(jiān)測的需求。

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,，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，對于MEMS 微針陣列干電極,，其探針的直徑達(dá)到納米級,，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別,，采用鑄模技術(shù)。電極在澆注成型時,，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，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,，這是動態(tài)日常腦電監(jiān)測必須保障的條件,。

3.3 系統(tǒng)集成

    頭皮腦電采集系統(tǒng)主要包括無線腦電獲取模塊，前端信號處理模塊和后端信號分析模塊^[47],。經(jīng)過處理后的信號數(shù)據(jù),，經(jīng)藍(lán)牙發(fā)送到智能軟件與云平臺，為獲取的EEG信號提供可靠的處理和支持,。對于無線腦電獲取模塊,，基于多通道采集腦電信號，較常見的是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個輔助通道用于其他生理監(jiān)測，如ECG/EMG/呼吸/ GSR等）,。多通道腦電采集系統(tǒng)能監(jiān)測全頭部區(qū)域的腦電信號,，減少某些通道出現(xiàn)故障、受到頭部運動或眼動肌動的影響而干擾對腦電信號的分析,，保證測量的準(zhǔn)確性,。穿戴式頭皮腦電監(jiān)測技術(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)計等,。

4 結(jié)語

    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)點成為臨床和科研腦電測量的主要選擇和標(biāo)準(zhǔn)。其操作不便,、舒適度差,、持續(xù)操作時間短的缺點也限制了其在穿戴式日常動態(tài)腦電監(jiān)測的應(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)_等問題,，使得頭皮腦電采集技術(shù)還有很大的發(fā)展空間,。未來將著重在新型材料，先進(jìn)結(jié)構(gòu)和加工工藝，以及系統(tǒng)集成三個方面發(fā)展,，推動頭皮腦電技術(shù)朝著生活空間的日常動態(tài)長期腦電監(jiān)測的目標(biāo)發(fā)展,，推動相關(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）