脑电基础系列之脑电电极的分类与技术对比

 

 

脑电电极的概述

脑电图（Electroencephalogram, EEG）是通过记录大脑皮层神经元电活动来反映脑功能状态的重要技术手段，广泛应用于临床诊断、神经科学研究及脑机接口等领域。脑电电极作为信号采集的核心部件，其性能直接影响数据的准确性和可靠性。电极的核心功能是将头皮或脑组织中的微弱生物电信号（通常为微伏级）转化为可记录的电压信号，因此电极的设计需兼顾导电性、稳定性与舒适性。

 

 

脑电信号的采集依赖于电极与头皮或脑组织之间的有效接触。根据国际标准（如10-20系统），电极的放置位置需精确对应特定脑区，以确保信号的空间分辨率。近年来，随着可穿戴设备的发展，脑电电极逐渐从传统的实验室场景向移动医疗、消费电子等领域延伸，电极的分类与技术革新也随之多样化。

 

 

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脑电电极的分类

脑电电极的分类方式多样，包括按导电介质、信号放大方式、放置位置及应用场景等。其中，按导电介质分类是最核心的维度，直接决定电极的物理特性和适用场景。

 

按导电介质分类

1. 湿电极（Wet Electrodes）

湿电极通常由金属（如银 - 氯化银等）制成，使用时需要配合导电膏（一种含有电解质成分的膏状物）来填充电极与头皮之间的微小空隙，降低电极与头皮之间的接触阻抗，采集到的脑电信号质量高，是目前临床应用最广泛的类型。

 

 

2.盐水电极（Saline Electrodes）

盐水电极主要使用生理盐水作为导电介质，成本低且易于操作。电极一般具有特殊的结构设计，例如带有可以容纳盐水的腔体或者多孔结构，能够让盐水与头皮充分接触。但其液体易蒸发，导致阻抗随时间升高（如5 kΩ在5小时内可能升至15 kΩ），需频繁补充液体以维持信号稳定。
 

 

 

3.凝胶电极（Gel Electrodes）

凝胶电极与湿电极有相似之处，采用粘性电解质凝胶，能更紧密贴合头皮。凝胶通常包裹在电极表面或者预先放置在电极与头皮之间，其质地一般较为粘稠，内部含有能够导电的电解质成分，阻抗低且信号质量高（功率谱密度PSD值可达2.47 ± 0.81 μV²）。但凝胶易干涸，长期使用可能引起皮肤刺激，且清洁困难。

凝胶电极片

 

 

 

4. 干电极（Dry Electrodes）

干电极是一种无需额外导电介质（如导电膏、凝胶、盐水等），直接与头皮接触来采集脑电信号的电极类型。它通常采用特殊的材料（如导电聚合物、金属微针阵列等）或者独特的结构设计（如基于电容耦合原理等），依靠电极与头皮之间形成物理接触和微弱的电化学作用来传导脑电信号。

 

 

不同类型的干生物电极

 

 

刚性干电极：采用金属针或凸起结构穿透头发接触头皮（如Emotiv Insight）。其阻抗较高（约16 kΩ），但稳定性好，适合数小时至数天的长期监测。

柔性干电极：使用导电橡胶或织物材料，贴合头皮且舒适度高，但易受运动伪影干扰，需配合信号滤波技术。

技术延伸：微针阵列电极：通过微米级针尖穿透角质层，直接接触真皮层，大幅降低阻抗（接近湿电极水平），但存在皮肤创伤风险。

 

 

 

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其他分类维度

1. 按信号放大方式 

主动电极：内置前置放大器，直接放大信号并抑制环境噪声（如Brain Products ActiCap），适用于复杂环境（如MRI兼容设备）。 

被动电极：依赖外部设备放大信号，成本低但易受干扰（如NeuroSky MindWave）。 

 

2. 按放置位置

头皮电极：通过国际10-20系统定位，包括杯状电极、针状电极等。 

颅内电极：需手术植入，直接接触脑组织（如皮层电极ECoG、立体定向电极sEEG），信号分辨率极高但创伤性大。 

 

 

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脑电电极对比

性能指标	盐水电极	湿电极	凝胶电极	刚性干电极	柔性干电极
初始阻抗	5–10 kΩ	5–10 kΩ	5–10 kΩ	15–20 kΩ	20–50 kΩ
长期稳定性	差（盐水蒸发导致阻抗快速升高）	中（导电膏干涸需4–6小时更换）	较差（高温或持续使用凝胶干涸阻抗升高）	优（阻抗变化<10%）	良（需定期调整位置）
信号质量	高频稳定，低频易漂移	全频段高信噪比（PSD 2.47 μV²）	初期使用高信噪比，随凝胶干燥噪声增加	低频衰减明显，需滤波补偿	中高频稳定，运动伪影敏感
舒适度	液体易流动，佩戴不适	粘腻感强，可能引发过敏	粘腻感强，可能引发过敏	针刺感明显，适合短时使用	无感贴合，适合长期佩戴
准备时间	短（浸泡盐水即可）	长（注射导电膏+阻抗调整）	即撕即用	即插即用	即插即用
维护成本	低（补充盐水即可）	高（导电膏只能一次性使用）	中（单价低，但需频繁更换）	中（可重复清洗）	高（柔性材料易磨损）
典型应用场景	实验室短期实验、教学演示	临床诊断（如癫痫监测）	医疗诊断、短期监测	静态脑机接口、科研场景	可穿戴设备、睡眠监测

 

在EEG导电性能对比中，通常按照是否需要额外导电介质（导电膏、凝胶、盐水等）将电极分为干电极、湿电极（湿电极、凝胶电极、盐水电极等）两种。

 

 

 

干电极与湿电极接触皮肤表面示意图

左侧（A）湿或半干电极借凝胶、盐水或自来水与一次性用品和表皮接触，下方为真皮和底层组织，需额外导电介质；右侧（B）干电极靠汗水和皮肤自身水分与表皮接触，无需额外导电介质，使用更方便。

 

A.湿电极与干电极佩戴舒适度水平B.每个电极准备和清理时间

 

 

 

静息脑电功率谱和地形图（睁、闭眼）

 

 

 

ERP波形和地形图

总结：

上述对比了传统湿电极 EEG 系统和干电极 EEG 系统，在信号质量上，多数指标如 P2和 P3振幅、部分频段静息低频功率、单次试验分类结果等相关性良好，分类分析表现均佳，不过干系统 delta 和 gamma 功率与湿系统存在差异；硬件和用户体验方面，干系统电极数量少、平均每个电极准备时间略长，但操作便利，用户反馈干系统敏捷性更好，两者舒适度在设置和记录时无差异，但干系统两小时内舒适度下降更快，总体干电极 EEG 系统在多数指标上与湿电极 EEG 系统相当，有应用潜力但也存在差异和局限。

 

应用场景与选择建议

临床诊断：优先选择凝胶湿电极或主动电极，确保高信噪比（如癫痫病灶定位）。

可穿戴设备：柔性干电极或半干电极更适合运动状态下的长期监测（如Emotiv Insight）。

科研实验：根据需求选择高密度湿电极（如128导联系统）或颅内电极（如sEEG）。

 

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电极技术的前言与挑战

混合电极设计

结合干电极的便捷性与湿电极的高信噪比，例如采用微流控技术动态释放电解液，实现阻抗自适应调节。

生物兼容性材料

开发柔性导电聚合物（如PEDOT:PSS），在降低阻抗的同时减少皮肤刺激，尤其适用于儿童与敏感人群。

 

 

多模态集成

将电极与光学、力学传感器结合，同步采集脑电、血氧及头部运动信号，提升数据分析的维度（如fNIRS-EEG联合系统）。

 

 

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回映产品:AR-BCI 智能脑控头盔

基于对脑电电极技术特性的深度解析，AR-BCI 智能脑控头盔创新性地实现了湿电极、盐水电极、干电极及主动干电极的兼容设计，进而构建高适配性脑电采集设备，满足不同实验场景和用户需求的适配性。该系统采用高度集成化设计，将 AR 显示系统、眼动追踪模块、脑电信号采集电路及高性能计算单元（NVIDIA 主机）整合为一体，支持脑电与眼动数据的同步采集与协同分析。其刺激范式显示系统具备双模式切换功能，AR-SSEVP 刺激范式可独立兼容 PC 端 SSVEP 模式，AR-MI 刺激范式同样支持 PC 端 MI 模式。

 

系统配置具有高度灵活性，电极类型、AR 显示模块、眼动追踪组件及高性能计算单元均为可选项，可根据实际应用场景和需求进行动态调整，真正实现了多功能集成与灵活配置的一体化解决方案。

 

 

适应症：

脑卒中、脊髓损伤、颅脑损伤等中枢神经系统疾病及周围神经损伤疾病引起的肢体障碍患者的脑机接口康复训练。

适应科室：

康复科、神经内科、神经外科、卒中中心、老年科。

 

 

 

 

 

采集系统

参数

 

采样率：≤ 16KSPS，每个通道独立可控制；

 

 

 

共模抑制比：≥ 120dB；

 

 

 

系统噪声：≤ 5uVrms；

 

 

 

模数转换率：24 位；

 

 

 

输入信号范围：±375mVpp；

 

 

 

采集通道有 8 路 /16 路 /32 路，支持单极性采集，预留双极性采集方案；

 

 

 

具备 8 路 /16 路 /32 路电极阻抗检测功能，并实现电极脱落指示功能；

 

 

 

输入阻抗＞ 1000Mohm、输入噪声 <0.15uVRMS（0.5~70Hz）、共模抑制比 CMRR ≥ 130dB，达到 JJG954—2019《数字脑电图仪检定规程》相关指标要求；

 

 

 

电极尺寸：电极盘直径 18mm, 触角长度 6.5mm, 触角直径2mm，触角数量 10~15 根。弹簧式干电极结构，保证电极与头皮贴合紧实，前额可安置心率血氧模块。

 

 

 

 

干电极的

参数

 

交流阻抗：阻抗≤ 1000Ω;

 

直流失调电压： 电压≤ 100mV;

 

 

 

内部噪音： 电压 <150uv;

 

 

 

除颤过载回复： 变化率 <±1mV/s、除颤后阻抗<1000Ω;

 

 

 

偏置电流耐受度： 电压变化 <100mV。