在腦電圖（EEG）研究領(lǐng)域，選擇合適的電極技術(shù)對(duì)于獲取高質(zhì)量的腦電信號(hào)至關(guān)重要。今天，我們將帶您了解不同電極技術(shù)的特點(diǎn)，幫助您為實(shí)驗(yàn)選擇最合適的方案。
背景
您可能聽說過主動(dòng)電極、被動(dòng)電極、凝膠電極、干電極和海綿電極等技術(shù)。每種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和局限性，適用于不同的實(shí)驗(yàn)場景和需求。
在選擇EEG電極技術(shù)之前，我們需要考慮以下幾個(gè)問題：
1.信噪比：您是否追求極高的信噪比，還是愿意為了快速、舒適的采集數(shù)據(jù)犧牲一小部分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量？
2.被試群體：您的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是健康成年人、兒童還是病人？
3.數(shù)據(jù)采集環(huán)境：您計(jì)劃在噪音屏蔽室中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還是在可移動(dòng)的真實(shí)場景中？
4.電極分布：您需要高覆蓋率的電極分布，還是僅需要幾個(gè)電極通道？
5.實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間：您的實(shí)驗(yàn)將持續(xù)多久？
6.多模態(tài)數(shù)據(jù)采集：您是否計(jì)劃使用EEG與其他神經(jīng)調(diào)控或監(jiān)測設(shè)備（如fMRI、TMS、fNIRS等）采集多模態(tài)數(shù)據(jù)？
電極阻抗
電極阻抗（Electrode impedance）是衡量電流通過物質(zhì)難易程度的指標(biāo)。低阻抗意味著更好的信號(hào)質(zhì)量和更高的信噪比。
為了達(dá)到低阻抗，傳統(tǒng)方法需要使用磨砂膏或?qū)щ姼啵@會(huì)增加準(zhǔn)備時(shí)長并降低被試的舒適度。因此，研究人員發(fā)展了主動(dòng)電極技術(shù)，它能夠在較高阻抗水平下采集高質(zhì)量的腦電信號(hào)。
主動(dòng)電極技術(shù)概述
①替代傳統(tǒng)被動(dòng)電極：通過采用主動(dòng)電極技術(shù)，我們能夠顯著提高信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。
②電氣屏蔽技術(shù)：在電極頭或線纜上實(shí)施電氣屏蔽技術(shù)，有效減少外部電磁干擾，確保信號(hào)的純凈度。
③減少線纜移動(dòng)：通過規(guī)劃線纜在帽子上的布局，能夠最小化線纜位移，從而降低因移動(dòng)引起的信號(hào)干擾。
在傳統(tǒng)的被動(dòng)電極技術(shù)中，我們可以將EEG電極（包括其線纜的整個(gè)長度）視為一個(gè)天線，它可以探測任何類型的電磁活動(dòng)。在信號(hào)到達(dá)EEG放大器之前，EEG信號(hào)可能會(huì)與影響電極頭和線纜的電磁噪聲混合在一起，最終在EEG放大器處信號(hào)被轉(zhuǎn)換和放大（見圖1）。
主動(dòng)電極技術(shù)的解決方案，即為電極配備一個(gè)小型電子電路，該電路直接在頭皮上執(zhí)行阻抗轉(zhuǎn)換。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式，在電極端將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過線纜傳導(dǎo)至放大器。這一過程顯著降低線纜作為天線接收外界電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)，從而減少“天線效應(yīng)”。因此，每個(gè)電極內(nèi)部的阻抗轉(zhuǎn)換器可以保證EEG信號(hào)的高質(zhì)量（見圖1）。
圖1：被動(dòng) VS 主動(dòng)電極技術(shù)
接下來將會(huì)為您介紹一些其他經(jīng)典的電極技術(shù)，它們囊括了不同的頭皮與電極接觸方法。
凝膠電極技術(shù)
顧名思義，使用凝膠介導(dǎo)頭皮與電極之間的聯(lián)系，該方案可以得到極高的信號(hào)質(zhì)量。凝膠能夠確保電極與頭皮之間的長時(shí)間穩(wěn)定接觸，這對(duì)于那些包含大范圍移動(dòng)與長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)是極為友好的。
海綿電極技術(shù)
采用濕海綿接觸頭皮的被動(dòng)電極，只需提前浸泡十分鐘即可使用，阻抗控制在60-100千歐，適合60至90分鐘的實(shí)驗(yàn)，減少了準(zhǔn)備時(shí)間并提升了被試舒適度。
干電極技術(shù)
無需導(dǎo)電凝膠或鹽水，干電極技術(shù)以快速設(shè)置和衛(wèi)生便捷為優(yōu)勢。盡管阻抗較高，但通過策略如主動(dòng)電極技術(shù)和電屏蔽，仍能保證良好的信號(hào)質(zhì)量，適用于短時(shí)實(shí)驗(yàn)和ERPs研究。
圖2：Brain Products為不同的電極技術(shù)提供了適配解決方案
影響電極技術(shù)選擇的因素
分析目標(biāo)的復(fù)雜性
- 對(duì)于測量經(jīng)典且容易捕捉的ERP成分（如視覺誘發(fā)電位、P300），可以選擇準(zhǔn)備時(shí)間短的干電極或海綿電極技術(shù)。
- 對(duì)于需要高信號(hào)質(zhì)量的微小ERP成分或微妙現(xiàn)象，推薦使用主動(dòng)電極或凝膠電極技術(shù)。
實(shí)驗(yàn)對(duì)象
- 成年人可自由選擇電極系統(tǒng)。
- 嬰幼兒或不耐靜止的被試，推薦使用海綿電極。
- 實(shí)景記錄或神經(jīng)反饋、腦機(jī)接口領(lǐng)域，可考慮干電極。
實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間
- 短時(shí)實(shí)驗(yàn)（30-45分鐘）：選擇制備快、易清理的干電極或海綿電極。
- 中等時(shí)長實(shí)驗(yàn)（60-90分鐘）：推薦海綿電極或主動(dòng)電極。
- 長時(shí)實(shí)驗(yàn)（90分鐘以上）：需用凝膠電極以保持長時(shí)間穩(wěn)定接觸。
電極靈活性
- 采用主動(dòng)電極技術(shù)，更方便您的實(shí)驗(yàn)選擇。
傳統(tǒng)的被動(dòng)電極技術(shù)，電極與線纜被固定在帽子的布料中，造成帽子的大小無法調(diào)節(jié)。如果使用主動(dòng)電極技術(shù)則可以靈活選配不同頭圍大小的帽子，并且一旦單個(gè)電極出現(xiàn)故障，也無需將整個(gè)電極束送修。
EEG應(yīng)用領(lǐng)域的電極技術(shù)選擇
根據(jù)不同的應(yīng)用場景，選擇合適的電極技術(shù)至關(guān)重要：
運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)：
- 大幅度運(yùn)動(dòng)（如跑步、跳躍）：推薦使用基于凝膠的電極技術(shù)，以保持穩(wěn)定的電極-頭皮接觸，減少運(yùn)動(dòng)引起的偽跡。
- 輕微運(yùn)動(dòng)（如駕駛、慢走）：可以考慮使用基于海綿的鹽水電極與LiveAmp結(jié)合，或CGX Quick系統(tǒng)，這些技術(shù)在小幅度運(yùn)動(dòng)中也能提供良好的信號(hào)質(zhì)量。
EEG-fMRI：
出于安全考慮，只能使用被動(dòng)電極技術(shù)。為了獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和較寬的頻帶，BrainCap MR和BrainAmp MR（Plus）放大器是黃金標(biāo)準(zhǔn)。BrainCap MR電極配備了限流電阻器，其電纜在帽子上緊密布線，以避免環(huán)路和線纜移動(dòng)。此外，MR多點(diǎn)式電極環(huán)采用C形設(shè)計(jì)，避免了磁場內(nèi)的閉合環(huán)路，并最小化過熱的風(fēng)險(xiǎn)。
如果您的被試是特定人群（如兒童等）或準(zhǔn)備時(shí)間較短（特別是高通道數(shù)情況下），您可以考慮使用基于海綿的鹽水電極技術(shù)R-Net（MR兼容版本）。這款電極帽采用被動(dòng)電極技術(shù)，每個(gè)電極配備限流電阻，且線纜布置整齊。
BrainCap MR和R-Net MR均可以配備碳纖維線圈，它可以幫助提升EEG信號(hào)質(zhì)量，通過離線校正的方式減弱運(yùn)動(dòng)和心球偽跡。
EEG-TMS：
在應(yīng)用經(jīng)顱磁刺激（TMS）同時(shí)記錄EEG時(shí)，基于凝膠的電極系統(tǒng)是處理刺激偽影的解決方案。主動(dòng)電極技術(shù)能夠自由布線且優(yōu)化數(shù)據(jù)質(zhì)量；平坦的電極頭，以便TMS線圈靠近頭皮放置。如果您想要采用被動(dòng)電極技術(shù)，BrainCap TMS兼容電極帽及其TMS多點(diǎn)式電極（Multitrode）則是您的最佳選擇。如果您更傾向于主動(dòng)電極技術(shù)，您可以使用actiCAP slim電極帽，其電極被直接固定在帽子布料中（不包含actiCAP電極底座，高度約6mm），同時(shí)線纜可以自由布置。
圖3：不同電極頭厚度對(duì)比
刺激前后測量：
對(duì)于非同時(shí)進(jìn)行的EEG和刺激治療，快速且易于設(shè)置的系統(tǒng)（如CGX Quick系統(tǒng)、actiCAP Xpress Twist或基于海綿的鹽水電極）更為合適。這種系統(tǒng)不需要被試洗頭，并且允許直接重復(fù)使用電極。
同時(shí)進(jìn)行的EEG-fNIRS：
這種技術(shù)主要與基于凝膠的電極系統(tǒng)一起使用。同時(shí)進(jìn)行EEG-fNIRS測量的最佳選項(xiàng)是actiCAP slim/snap，因?yàn)樗峁┝烁叨鹊撵`活性，可以在fNIRS系統(tǒng)的光極和傳感器之間不同位置放置EEG電極?；蛘?，如果您需要使用被動(dòng)電極技術(shù)，也可以為您提供定制解決方案。
同時(shí)進(jìn)行的EEG-MEG：
對(duì)于同時(shí)進(jìn)行EEG和MEG記錄，BrainCap MEG的去磁電極（MEG Multitrodes）與BrainAmp MR（Plus）放大器結(jié)合使用，可以提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。在這個(gè)帽子上，電纜以捆綁、扁平的方式布線，您可以使用一種特殊的非磁性凝膠，以最小化對(duì)MEG信號(hào)的任何干擾。
結(jié)語
本文旨在幫助您根據(jù)研究需求挑選最合適的電極技術(shù)。不同的研究場景對(duì)電極技術(shù)有著不同的要求，而某些應(yīng)用可能允許更多的靈活性。在做出選擇時(shí)，請(qǐng)權(quán)衡各項(xiàng)因素的影響以及您的個(gè)人偏好和經(jīng)驗(yàn)。這些考量將助您找到最能滿足您研究需求的電極技術(shù)。
