综述：无创干式脑电电极：从实验室原型到可穿戴神经技术系统

《Sensors and Actuators A: Physical》：Non-Invasive Dry EEG Electrodes: From Laboratory Prototypes to Wearable Neurotechnology Systems

　　

## 摘要

脑电图（EEG）已从一种临床研究模式演变为消费级和商业神经技术的关键使能技术。干电极的出现作为一种对湿电极极具吸引力的替代方案，通过消除导电凝胶、缩短准备时间并提高长时间记录期间的用户舒适度，实现了快速设置并改善了长期监测的舒适度。本综述全面概述了干EEG从早期实验室原型到商业神经技术产品的演变历程。我们考察了干电极的基本工作原理、评估指标、与同类产品的基准对比、电极几何形状、材料和制造策略的最新进展、可穿戴实施方案以及已进入市场的系统。除硬件之外，我们还讨论了信号处理方法、其最新应用以及阻碍其在真实环境中部署的持续性挑战。我们进一步强调了继续限制其广泛采用的关键挑战。最后，讨论了新兴趋势，如智能与个性化电极、先进的AI辅助信号处理、大规模干EEG数据集和集成式可穿戴神经技术平台，这些被视为未来发展的潜在驱动因素。

## 引言

可通过三种主要记录模式——表面、皮层和皮层内——使用各种技术来测量大脑活动（图1A）。第一种方法是将电极放置在头皮上以捕获EEG信号。第二种方法为皮层脑电图（ECoG），直接从颅骨下方的皮层表面记录电活动；第三种方法为皮层内记录，测量脑组织内部的局部场电位（LFPs）。然而，这些技术的侵入性、信号振幅和空间分辨率因电极放置位置的不同而有所差异。这些特征的比较总结见下文图1B和表1 [1], [2]。基于干EEG的记录在安全性、可及性和可扩展性方面具有优势，但与侵入性记录相比，其在低空间分辨率、颅骨信号衰减和信息带宽降低方面仍存在根本性限制。

特别是，无创脑信号记录在现有植入策略中脱颖而出，因为它们能够获取脑信号，同时避免与手术干预相关的风险，如发病率升高或组织损伤 [3]。因此，EEG成为神经科学的基石，使大脑电活动的无创测量成为可能。首先，根据电极在头部的放置位置，它们可被分类为头皮EEG、耳EEG和前额EEG电极。电极放置的具体位置显著影响各类电极的设计考虑和制造策略 [2]。此外，头皮EEG对于需要高保真信号的综合脑机接口（BCI）来说是不可或缺的记录模式，包括运动皮层（α波）、视觉（SSVEP）或联合皮层 [4]。从广义上讲，EEG技术的演变跨越了近一个半世纪的持续创新（图2）。

这段旅程始于1875年发现动物大脑中的自发电活动，随后是1912年的第一张摄影EEG图像以及Hans Berger在1924年开创性的人头皮记录。1930年代带来了癫痫和意识改变状态的临床应用，到1950年，10-20国际电极放置系统的引入使全球各实验室的EEG实践实现了标准化。此外，1973年数字EEG和计算机分析的出现标志着一个转折点，为早期的脑机接口（BCI）和先进的神经假体概念铺平了道路。1990年代见证了首批干电极和高密度主动电极阵列的引入，这些阵列无需磨砂皮肤准备和凝胶使用。随后的几十年见证了机器学习（ML）、可穿戴系统和基于AI的分析的整合，最终发展为柔性、微型化甚至纹身式电极，预计将定义2026年之后的EEG创新时代。

另一方面，干EEG电极的发展可追溯到研究人员开始探索湿电极替代方案之时。虽然最初的设计专注于刚性贵金属，如金（Au）和银（Ag），因为它们具有出色的电导率和化学惰性，但贵金属的高成本和稀缺性阻碍了其在EEG电极中的可持续使用。因此，一个有前景的解决方案是将这些材料的薄层涂覆到柔性基底上，创造贴合体形的干电极。这种方法不仅缓解了稀缺性问题，还产生了薄型、轻便且电极-皮肤阻抗低的电极，这对于舒适的长期监测至关重要 [13]。相比之下，行业正越来越多地转向具有高度机械柔韧性、化学稳定性和优异生物相容性的材料，如导电聚合物（如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS））和碳基纳米复合材料。初始结构为金属针的梳状结构，虽然与头皮直接接触，但通常不适且不适合长期使用 [14]。事实上，它们从唯一已知的无凝胶低阻抗方法中汲取灵感——即物理压入皮肤。Taheri等人于1994年开创性地引入了一种带有镀金针的干电极，该针可穿透头发并轻微压入外层皮肤 [11]。在此，我们全面概述了无创干EEG电极，特别关注从实验室原型到可穿戴神经技术系统和商业产品的技术演变。与主要关注单一方面的先前综述不同，本综述提出了一个统一的框架，以舒适度-阻抗权衡为核心来理解干EEG的演变，将电极材料、结构几何形状、制造策略、信号采集性能、应用和转化准备状态联系起来，以弥合实验室性能与现实世界部署之间的差距。最后，我们提供了一个由作者驱动的前景展望，涵盖最具前景的未来方向，包括混合材料系统、个性化电极架构、智能信号处理以及大规模临床和消费部署所需的标准基准测试框架。本综述为研究人员、工程师和临床医生提供了一个宝贵的资源，帮助他们加深对干EEG的理解并确定未来发展领域。

## 章节摘要

**干EEG电极原理**：传统的EEG系统依赖于湿电极，需要导电凝胶或膏剂作为离子交换介质 [14] 以确保低皮肤-电极阻抗和高信号质量。通常，银/氯化银（Ag/AgCl）电极是最常用的湿电极，这是一种以其高交换电流密度、低极化和稳定电位而闻名的材料 [3]。事实上，Ag/AgCl电极表现出优秀的电生理记录特性，其极低……

**EEG电极评估**：为获取高质量且稳定的EEG信号，记录过程应满足两个关键要求。首先，电极与皮肤之间的阻抗应最小化，以确保足够的信号幅度。其次，电极必须提供稳定可靠的接触界面，以减少信号采集期间的运动伪影 [18]。实际上，EEG电极的性能特征可大致分为四个主要领域：功能测试……

**几何策略**：干电极的架构设计涵盖扁平刚性金属盘、梳状、爪形、针形、纹身形和基于纺织品的电极，以及弹簧加载针和柔性微钉，其中几种在图5中进行了说明 [4]。这种多样性源于干电极信号采集的固有挑战，推动研究人员开发了广泛的结构性创新。几项研究已……系统比较了这些几何形状。

**EEG信号处理**：大多数生物电信号共享几个关键特征，包括它们通常具有低幅度，增幅通常不超过5 mV。此外，它们是非平稳的、随机的和不稳定的，各种内部或外部刺激可导致信号波动。另外，生物电信号表现出低信噪比（SNR），使其极易受到生理和环境伪影的影响 [108]。为克服这些挑战，稳健的标准化工作流程是必不可少的……

**无创干EEG的应用**：干EEG电极已获得显著的研究和商业兴趣，主要归功于其无创性、便携性和用户友好的设置。通过消除对导电凝胶或粘合剂的需求（这是传统湿电极的一项重要要求），它们为长期监测和多样化的现实应用提供了更便捷、实用的解决方案。相应地，它们的易用性和缩短的准备时间使干电极特别……

**未来方向**：下一代干EEG技术预计将源于先进材料、智能电子、人工智能和个性化神经技术的融合。未来开发可能不会追求电极导电性或机械舒适度的孤立改进，而是聚焦于全面集成的系统，同时优化信号保真度、可穿戴性、可扩展性和临床可用性。从材料角度来看，混合架构……

**挑战**：尽管近年来取得了显著进展，但若干基本挑战仍在限制干EEG技术的广泛采用。最持久的障碍仍然是建立稳定的、低阻抗的电极-皮肤界面，而无须借助导电凝胶 [20]。与湿电极不同，干系统完全依赖于与头皮直接机械接触，使其性能对头发密度、头皮形态、皮肤水合状况和电极……高度敏感。

## 结论

总之，本综述全面概述了干EEG电极在多个维度上的演变，包括材料创新、结构设计策略、制造方法、性能评估框架和商业途径。虽然干电极相比传统湿系统具有明显优势，包括无凝胶操作、缩短设置时间和增强用户舒适度，但其广泛采用仍受到以下限制的制约……

## 文献综述方法

文献检索通过Google Scholar主要科学数据库进行。检索采用了"干EEG电极"、"脑电图"、"可穿戴EEG"、"干接触电极"、"半干电极"、"耳EEG"、"纺织品EEG"、"微针电极"、"导电聚合物"、"碳纳米材料"、"脑机接口"、"信号处理"和"商业EEG系统"等关键词的组合。通过向后和向前引用……

## 作者贡献声明

Zahra Razaghi：撰写——初稿。Reza Ebrahimpour：监督。Raheleh Mohammadpour：监督。Azam Iraji Zad：监督。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

## 作者信息

Zahra Razaghi是伊朗德黑兰理工大学纳米科学与纳米技术中心博士研究生。她获得德黑兰理工大学材料科学与工程学的理学学士和理学硕士学位。她的研究聚焦于无创干EEG电极、可穿戴神经技术、先进功能材料和信号处理。

Zahra Razaghi | Raheleh Mohammadpour | Reza Ebrahimpour | Azam Iraji Zad