全天候记录：佩戴柔性印刷 trEEGrid 电极贴片与微型放大器进行近24小时的日间与夜间脑电(EEG)记录

《Sensors》：Around the Clock: Wearing a Flex-Printed trEEGrid Electrode Patch and Miniaturized Amplifier for Nearly 24 Hours Across Daytime and Overnight EEG Sessions

　　

长期脑电(EEG)测量（超过八小时）能够加深研究人员对日常生活大脑功能的理解。然而，由于舒适性、脑电电极传感器信号质量以及放大器尺寸的限制，大多数脑电系统只能在受控环境中短时间使用。在这项研究中，研究人员使用新型的柔性印刷 trEEGrid 贴片电极和微型化、模块化放大器原型，测量了十名实验室成员参与者在白天和夜间的大脑活动。参与者在进行日常活动时，贴片被持续佩戴长达24小时。在几项探索性任务和夜间期间记录了脑电信号。日间场景包括听觉和视觉oddball任务，以及静息态测量和数独认知负荷任务。在所有任务期间均记录了阻抗。Ag/AgCl“环形”电极被用作对比。日间任务进行了两次（即第一天下午一次，第二天早上一次），以评估信号质量随时间的变化。在两天内均观察到了P3 oddball、静息态和工作负荷相关的频谱效应。贴片电极与环形电极之间的听觉N1振幅相似。该系统在近24小时的佩戴时间内显示出有前景的数据质量，并为日间和睡眠脑电研究提供了新的可能性。

脑电(EEG)具有毫秒级时间分辨率，对于在生态化环境中研究大脑功能极具价值。长期脑电数据能提供健康状况信息，在癫痫学领域长期监测备受关注。然而，目前长期多通道脑电监测仅在临床环境可行，给患者带来巨大负担。其关键瓶颈在于缺乏能长时间维持信号质量和佩戴舒适度的电极传感器。传统脑电电极通常由烧结的 Ag/AgCl 环形电极组成，需依赖导电膏，其随时间变干会导致不适和信号衰减；且刚性电极与连线不便长期佩戴，应用耗时需培训人员。尽管柔性印刷电极网格有效，但仍需涂抹电极膏，限制自我可应用性。为推进长期可自应用脑电记录，研究人员基于 da Silva Souto 等人的概念，将柔性印刷 trEEGrid 与预涂导电材料结合，开发出 trEEGrid 贴片，并与微型化、模块化放大器原型结合，将佩戴时间延长至近24小时。研究得出结论，该系统在近24小时佩戴时间内保持了良好信号质量，能实现日间认知任务与夜间睡眠脑电监测，且舒适度较高。这一研究为轻量级、可移动的长期多通道脑电记录提供了新可能，具有重要的生态学效度意义，论文发表在《Sensors》期刊上。

研究人员招募了来自 Fraunhofer 移动神经技术工作组的10名实验室成员作为样本队列。关键技术方法包括：使用预涂导电材料的柔性印刷 trEEGrid（柔性印刷耳周电极阵列）贴片与微型模块化放大器原型进行脑电记录；采用 LabStreamingLayer（多设备数据流时间同步框架，简称LSL）实现时间同步；通过 Python 与 MNE 库进行脑电预处理，包含有限脉冲响应（一种数字滤波器，简称FIR）滤波、重采样及伪迹剔除；使用多锥度法计算功率谱密度（信号功率随频率分布的量度，简称PSD）；并通过重复测量方差分析（同一受试者多次测量数据的统计方法，简称ANOVA）对阻抗、信噪比（信号功率与噪声功率的比值，简称SNR）及频谱功率进行统计分析；睡眠数据由专家依据美国睡眠医学会（制定睡眠分期标准的机构，简称AASM）标准进行睡眠分期标注。

3.1. 信号质量
研究人员对阻抗与信噪比进行了分析。佩戴时间介于20.98至23.67小时。阻抗分析表明，第二天整体阻抗较低，贴片电极 R1 的阻抗在第一天至第二天显著降低，而睡眠记录中前2小时与最后2小时的阻抗无显著差异。信噪比分析显示，trEEGrid 贴片的 Fp_z_M₂ 通道与传统环形电极 Fp_z 之间无显著差异。
3.2. 实验任务结果
3.2.1. 听觉 Oddball 任务
通过分析额叶电极 Fp_z_M₂ 和环形电极 Fp_z 的脑电成分，结果发现两者的 N1 振幅相似。在 C₄_M₂ 通道中，偏差刺激诱发的 P3 振幅显著大于标准刺激，且在两天内均稳定存在。
3.2.2. 视觉 Oddball 任务
在 C₄_M₂ 通道中，偏差刺激在刺激出现后约386毫秒处诱发强峰值。统计验证出偏差刺激的 P3 振幅显著大于标准刺激，且不受天数影响。
3.2.3. 静息态任务
通过计算 O₂_M₂ 通道的功率谱密度，发现闭眼时的 alpha 频段功率显著高于睁眼时，且第一天（下午）的 alpha 功率高于第二天（早晨）。
3.2.4. 数独任务
通过分析数独任务中的 theta 和低 beta 频段功率，结果表明在难度较高的数独任务中，额叶低 beta 功率显著高于静息态及低难度任务。theta 功率同样受任务难度显著影响。
3.2.5. 睡眠
睡眠记录数据经空间近似转化为标准位置后，由专家成功进行睡眠分期标注。所有受试者的平均总睡眠时间为5.41小时。
3.3. 问卷
通过问卷调查发现，参与者对睡眠质量和佩戴舒适度评价积极。平均睡眠质量得分为3.3，平均佩戴舒适度评分为4.8，两天内未出现严重不适感。

在讨论部分，研究人员指出，尽管贴片阻抗整体高于传统环形电极，但在静态设置下两者的信噪比表现相当。大多数贴片通道在近24小时后仍可用，但靠近眉毛和下巴的通道由于肌肉活动或毛发影响出现了较高阻抗异常值，将在后续设计中改进。在脑电成分方面，trEEGrid 贴片能稳定记录听觉 N1 和视觉、听觉 oddball P3 等典型脑响应，且不受长时间佩戴影响。在频谱信号方面，系统成功检测到闭眼时 alpha 功率增加的经典效应，并在数独任务中观察到认知负荷相关的额叶低 beta 和 theta 功率变化。睡眠与问卷结果表明，该系统能成功用于家庭睡眠监测，且舒适度高，优于传统多导睡眠图。

在研究结论部分，研究人员总结：结合微型放大器的 trEEGrid 贴片被佩戴近24小时，用于记录下午、夜间及次日上午的大脑活动。针对第一个假设，系统即使在阻抗相对较高的情况下，仍能展示出稳健的脑电信号，包括视觉和听觉 oddball P3 成分，以及闭眼时的 alpha 功率变化。针对第二个假设，能够较好记录睡眠期间的脑电数据以显示睡眠阶段，并在常见认知任务中记录认知负荷的变化。针对第三个假设，尽管受试者为实验室成员，但在近24小时的佩戴及睡眠质量方面获得了积极反馈。结合微型放大器的 trEEGrid 贴片系统展现了显著的信号质量，将在未来持续改进。这一结果为新型轻量级、可移动脑电记录系统带来了前景，能提供高信号质量的多通道脑电数据。