高隐蔽性的柔性耳周脑电采集系统优势几何？

 

柔性耳周脑电采集概述

柔性耳周脑电采集系统（cEEGrid）是一种基于柔性印刷电极技术的新型脑电采集方案，旨在解决传统脑电图（EEG）设备笨重、可见性强、佩戴不适、难以在自然环境下长期使用的局限性。该技术灵感来源于对“自然认知”和“主动感知”研究的需求，即在日常环境中无感、持续地监测大脑活动。cEEGrid 由10个Ag/AgCl印刷电极排列成C形，贴合耳周佩戴，通过智能手机进行信号采集与刺激呈现，实现了隐蔽、舒适、便携的脑电记录。其优势在于高隐蔽性（可完全隐藏在发际线后）、良好的佩戴舒适度（多数用户反馈几乎无感）、稳定的长期信号质量（阻抗在7–8小时内无显著变化），以及强大的时空信息捕捉能力（可清晰记录α波差异与P300等事件相关电位）。该系统适用于日常环境下的脑机接口（BCI）、社交互动研究、儿科脑电图、癫痫长期监测、睡眠研究及助听器集成等场景，为移动神经科学和可穿戴医疗设备提供了新的可能性。

 

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柔性耳周脑电采集系统设计关键

 

系统由三部分组成：柔性cEEGrid电极阵列、SMARTING 24通道移动EEG放大器、以及智能手机（Android系统）。放大器通过蓝牙将信号无线传输至手机，手机同时负责听觉刺激呈现（使用OpenSesame软件）与数据记录。系统整体轻便，可放入口袋，适用于户外和日常环境。设计中特别强调了信号稳定性与抗干扰能力：放大器内置3D陀螺仪，支持运动中记录；电极采用“密封式”设计，减少电解液蒸发，维持阻抗稳定；信号采集过程中使用触摸屏事件标记与离线时间校正，以应对Android系统的音频延迟问题。

 

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柔性耳周脑电采集电极设计关键

cEEGrid电极系统的设计是实现隐蔽、舒适、长期稳定采集的核心，其关键要素如下：

材料与结构：

电极采用多层柔性印刷电路板技术制造。基材为生物相容性的聚酰亚胺，确保佩戴安全与柔韧性。导电部分由三层构成：镀金的端点用于与放大器插头连接，纯铜走线负责信号传输，而与皮肤接触的传感点则使用基于银/氯化银（Ag/AgCl）的聚合物厚膜墨水印刷而成。这种Ag/AgCl材料是生物电测量的标准选择，有助于形成稳定的半电池电位，减少极化效应和运动伪迹。

通道数与采集位点：

每个cEEGrid阵列集成了10个电极，以C形排列环绕耳廓。电极中心直径为3毫米，相邻电极中心距为12或18毫米，这种间距在有限的耳周空间内提供了适中的空间采样密度，有助于区分局部脑电活动与噪声。电极被特意布置在发际线上下（如图1B所示），以实现最大程度的隐蔽。

左右耳阵列的对称性与差异：

左右耳的cEEGrid在物理形状和电极数量上是对称的，均为10电极C形阵列。然而，在电路连接和功能定义上并非一模一样。在硬件连接中，右耳阵列中间位置的两个特定电极被分别指定为参考电极和地电极。这种设计是为了在放大器端建立一个稳定的电学参考点。

 

 

图1：cEEGrid 柔性电极阵列设计、佩戴示意图与电极细节图

 

图1 为系统核心硬件图示。图1A子图：展示了左右耳cEEGrid记录的原始静息态EEG信号片段，并用白色电极标示了硬件参考与地电极的位置，以及离线重参考后使用的虚拟乳突参考点（白色带黑圈），直观呈现了信号的基本形态与参考策略。图1B子图：为cEEGrid佩戴在右耳的实物照片，清晰显示了其C形结构如何环绕耳廓，以及电极在发际线上下分布的隐蔽性。图1C子图：电极与走线的微距视图，标明了导电点直径（3mm）及Ag/AgCl印刷材料。图1 定义了整个研究的硬件基础，说明了设备的物理形态、佩戴方式和基本信号特征。

 

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临床研究

研究方法：

 

参与者：10名健康成人。

系统：cEEGrid耳周电极阵列 + SMARTING移动放大器 + 智能手机（用于刺激呈现与数据采集）。

范式：

静息态EEG：记录交替睁眼/闭眼时的脑电。

听觉Oddball任务：参与者默数随机呈现的高音靶刺激（20%概率）。

流程：早晨佩戴设备并完成首次测试；随后参与者自由日常活动6-7小时；下午再次连接设备完成第二次测试。

核心分析：

阻抗监测：评估电极-皮肤接触的长期稳定性。

频谱分析：对比睁/闭眼状态下的脑电功率差异。

事件相关电位分析：提取并分析靶刺激诱发的P300成分。

单试次分类：使用早晨数据训练的线性分类器，直接对下午未见数据进行分类，以检验信号稳定性。

 

研究结果：

 

阻抗稳定性：平均阻抗约16.5kΩ，早晚无显著变化（p=0.89）。

静息态EEG：闭眼时α频段（8–12Hz）功率显著高于睁眼条件（图2、图3），符合经典EEG特征。

 

 

图2：基于cEEGrid记录的静息态EEG频谱对比图（早晨 vs. 下午）

 

图2 左右两幅频谱图分别对应早晨和下午的测试结果。每幅图以2D侧视图布局显示了所有16个通道的功率谱，其中蓝线代表睁眼状态，红线代表闭眼状态。可以清晰看到，在闭眼条件下，几乎所有通道在8-12 Hz（α频段）都出现了一个显著的功率峰值（红色凸起），而睁眼时该峰值消失或减弱。视觉化验证了cEEGrid系统能够可靠地捕捉到最经典的脑电生理现象——闭眼α波增强，证明了其记录稳态脑电信号的有效性。

 

 

图3：静息态EEG睁闭眼差异的统计参数空间分布热图

 

热图3将数据分析结果进行空间（16通道）和频域（5个频段）的可视化。图3A：以颜色编码展示了所有通道在各频段上闭眼与睁眼的功率差值（dB）。可明显看出，显著的差异（暖色）主要集中在α频段（8-12 Hz）的多个通道。图3B,C：分别对应早晨和下午的统计显著性结果（经Bonferroni校正），黑色方格表示该通道在该频段差异显著。这表明α频段的显著性在多个通道上具有时间稳定性。将图2的定性观察转化为定量、统计的空间分布结论，严谨地证明了cEEGrid所测α波效应的显著性和可重复性。

 

事件相关电位：靶音诱发出明显的N100与P300成分，P300振幅显著大于标准音（p<0.001），且早晚会话间表现出高重测信度（r>0.74）（图4、图5）。

 

 

图4：听觉Oddball任务事件相关电位波形图（早晨 vs. 下午）

 

图4 分别展示了早晨和下午会话中，靶刺激与标准刺激所诱发的ERP波形（16通道叠加）。图中可清晰识别出约100ms的N1成分和约400ms的P300成分。关键的是，靶刺激诱发的P300波形（红色）在早晚两个会话中形态、幅值和潜伏期高度一致。直观证明了cEEGrid系统记录瞬态脑电事件（ERP）的能力，并初步显示了P300成分跨时间的稳定性，为后续定量分析奠定基础。

 

 

图5：ERP条件效应综合分析热图（振幅差异、重测信度与效应量）

 

图5 是ERP分析的核心量化结果综合展示。图5A（振幅差异）：展示了靶刺激与标准刺激ERP在300-500ms时间窗内振幅差异的空间-时间分布，热点区域（L1-L3， R1-R3）即为P300的最大效应区。图5B（重测信度）：显示了早晚会话间P300差异波的相关性，深色区域表示高重测信度（r > 0.74），直接量化了信号的时间稳定性。图5C（效应量）：以Cohen‘s d值显示了条件效应的强度，在相同区域效应量极大（d > 0.9），证明了所记录效应的生理显著性。图5 多维度、定量化地证实了cEEGrid所记录P300的高质量、高稳定性与高可靠性。

 

单试次分类：使用早晨数据训练的LDA分类器在下午数据上仍保持>70%的准确率，且通道数减少至3个时性能依然稳健（图6）。

 

 

图6：单试次脑电分类性能与通道选择分析图

 

图6A：柱状图显示，使用早晨数据训练的分类器，在早晨（交叉验证）和下午（独立测试）数据上均取得约70%的准确率，且无统计学差异，实证了基于cEEGrid特征的分类模型具备跨时段泛化能力。图6B：折线图展示了随着通道数逐次减少（从16到1），分类准确率的变化。群体平均性能平缓下降，而个别被试（彩色线）在通道数较少时仍保持高性能，揭示了系统在实际应用中可以简化优化的潜力。图6 从脑机接口应用角度验证了cEEGrid信号的实用价值，证明了其信号不仅可用于平均分析，也适用于单试次解码，且模型稳定、系统可简化。

 

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总结

cEEGrid系统成功实现了隐蔽、舒适、长期稳定的耳周脑电采集，在自然环境下仍能捕捉到具有高时空分辨率的脑电特征（如α波、P300）。该系统结合柔性印刷电极、微型放大器和智能手机，极大提升了EEG的便携性、隐蔽性与用户接受度，为日常生活中的脑功能监测、神经反馈、脑机接口及临床长期监护提供了可行的技术路径。未来可通过优化电极材料（如使用水凝胶）、个性化设计、提升系统实时性等方式进一步推动其在移动健康与神经工程中的应用。