和义广业【行业分析】之脑电极，本篇主要介绍电极、脑电电极、脑电信号的基本定义和原理，以及无创脑电电极的分类、代表公司和产品介绍。

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由于生物体的各种生命活动均会产生生物电，是生物体最基本的生理现象。电极可将生物体的电化学活动产生的离子电位转换为测量系统的电位，起换能器的作用，本质上是一种传感器。

图 电极原理示意图

脑电电极主要应用在脑机接口，又可按照有无创伤分为无创非植入式电极与有创植入式电极，无创电极即通过在头皮表面采集脑电信号，其信号干扰噪声较大，且电极与头皮的贴合度又受到毛发的影响，信号质量较低；植入式电极存在长期植入后由于生物相容性的影响，形成瘢痕组织影响信号的采集精度等问题。电极所放置的位置能够采集到的信号类型也不一样，电极放置的位置如图2所示，其所能采集信号的信号特征如图3所示。

图 电极位置与采集的信号对应图

图 不同脑电信号的信号特征

脑电信号来源于锥体细胞顶端树突的突触后电位。其同步节律的形成还与皮层丘脑非特异性投射系统的活动有关。脑电信号的研究历史由来已久，自1857年人类首次记录到脑电信号，已有诸多学者对脑电信号进行研究，根据脑电信号的频段可将其分为至少四个波段：δ（0.5-3Hz）、θ（4-7Hz）、α（8-13Hz）、β（14-30Hz），另外，在清醒并关注与某一事物时，可见一种频率比β频段更高的γ波段，其频率为30-80Hz。

δ波段一般出现在婴儿期或智力发育不成熟、成年人在极度疲劳和昏睡或麻醉状态下，可在颞叶和枕叶记录到这种波段；

θ波段一般出现在成年人意愿受挫或者抑郁以及精神病患者中，且为少年（10－17岁）的脑电图中的主要成分；

α波段为正常人脑电波的基本节律，如果没有外加的刺激，其频率是相当恒定的，人在清醒、安静并闭眼时该节律最为明显，睁开眼睛（受到光刺激）或接受其它刺激时，α波即刻消失；

β波段主要是当人的精神紧张和情绪激动或亢奋时出现，或人从噩梦中惊醒时，原来的慢波节律可立即被该节律所替代。

另外，在人心情愉悦或静思冥想时，一直兴奋的β波、δ波或θ波会变弱，α波相对变强。因为这种波形最接近右脑的脑电生物节律，于是人的灵感状态就出现了。

此外，在颅内脑电信号的分析，尚未出现如头皮脑电这种的细致分类，目前将高于γ波段的信号统一称为高γ波段，主要用来做运动解码分析与语音识别输出等研究。

无创脑电电极主要应用在无创脑机接口领域，无创脑电电极天然存在一些缺陷：

1.信号种类多：采集到的是整个大脑神经活动产生的电信号的叠加，难以区分不同区域的神经活动；

2.信噪比低：经过头皮与颅骨衰减之后导致信噪比很差，深部脑区活动产生的高频信号有90%都被吸收。

无创脑电电极在医疗领域主要定位为“辅助诊断”、“异常监测”；主要应用在脑电监测、精神疾病初筛、癫痫等神经性疾病的病灶定位、以及康复领域。另外偏消费类则主要集中在交互/可穿戴上，主要应用在失眠、焦虑、老年痴呆、瑜伽、注意力集中训练、学习记忆力训练等领域。

现有的无创脑电电极可分为：

①干电极——传统的无创脑电采集系统，脑电帽形态，需要在每个电极上抹导电膏，使用与维护都很麻烦；

②湿电极——使用简单，相比于干电极其阻抗较低，信号质量较高；

③半干电极——介于干电极与湿电极之间，使用时加入导电的湿介质，但是存在介质蒸发较快，使用较为复杂等问题。

无创脑电电极的发展路线为湿电极→干电极→半干电极。

根据NMPA发布的《医疗器械分类目录》，无创脑电极属于体表电极，分类为：10 附件、耗材 03 体表电极；其产品描述为通常主要由传感元件、连接接头组成。预期用途为采集并获取受观测者人体体表信号，如心电、脑电信号。

NMPA检索结果显示，国产无创脑电电极共获批13张证，其中主要厂家为武汉格林泰克；进口无创脑电电极只有美国的Masimo公司获批。具体获批信息如下：

（一）干电极

1. 微针式脑电干电极

微针式干电极由一系列可刺穿电阻性角质层的微尖刺或微针组成。尖刺状或针状结构在纳米、微米甚至毫米级。因此，电极可以有效地绕过角质层，从而以较低的阻抗进入皮肤内层。

优点：微针式干电极具有诸如快速设置、低电极/皮肤阻抗、良好的机械稳定性以及对运动伪影的耐受性等优点。

缺点：制造复杂或成本较高。尖峰易碎、断裂并引起感染或炎症。

图 微针式干电极

2.电容式脑电干电极

是一种非接触式干电极，通过牺牲电极阻抗来解决电极和皮肤之间接触不良的问题。电容式干电极的绝缘层放置在非接触式干电极的前端，从而在电极和皮肤干燥层下方的组织之间形成电容路径。具体来说，电极的电子导体和皮肤干燥层下的组织充当两个电容器板。非接触式干电极已被证明可有效记录α频段的脑电信号和稳态视觉诱发电位 (SSVEP)。

优点：信号保真度不再依赖于皮肤阻抗，从而减少了由于皮肤阻抗引起的信号变化。

缺点：振幅太低，无法有效记录自发EEG或ERP；电极阻抗非常高，会导致信号质量下降，一般需要后续接超高阻抗的前置放大器；由于电容器两个极板的间距变化，电极对运动伪影很敏感。

图 电容式干电极

3. 梳齿状脑电干电极

梳齿状干电极为类似梳子的梳齿结构，或形似爪子，通常使用导电聚合物制作，或在弹性聚合物的表层镀导电的金属薄膜。

优点：使用方便，设置便捷

缺点：电学特性不够高，且使用的时候需要有外力施加，导致其使用感受也不是很好；

4.代表公司与产品：

4.1 EMOTIV

EMOTIV公司由Tan Le(CEO)和Geoff Mackellar(CTO)于2011年创立，总部位于美国旧金山，在悉尼、河内和胡志明市设有工厂。EMOTIV公司主要集中在技术和界面的应用方面，涵盖了游戏、交互式电视、日常计算机交互、智能自适应环境、艺术、可访问性设计、市场研究、心理学、学习、机器人、汽车、运输安全、国防和安全。公司产品赢得了众多国际奖项，包括红点奖、AutoVision 创新奖、澳大利亚国际设计奖、澳大利亚工程卓越奖和爱迪生奖。开发人员和研究人员社区遍布100多个国家/地区。公司的软件是开源的，可以直接在Github上获取进行再开发。

图 EMOTIV产品示意图

代表产品——EMOTIV insight：主要放在无毛发区域进行脑电信号采集；5通道，采样频率128Hz，16位ADC，设置时间约2min，一次充电可使用约20小时，售价499美元（非医疗设备）；主要用于情绪检测、面部表情识别。

4.2 CGX

CGX是一家开发非侵入性人体生物电传感的公司，它创造了新一代的生物电势传感器，无需“湿”电极即可获取最高质量的心脏(ECG)和大脑(EEG)。根据应用，系统可以使用非接触式传感器（通过衣服或头发）或干式接触传感器。所有CGX设计都是无线的，并且经过精心设计，符合业界最佳的人体工程学，这意味着最快、最简单和最舒适使用。目前正在提供最新的6到64通道干式无线脑电图系统，用于研究目的。为 ECG 和 EEG 企业、政府和机构客户提供设计服务。

代表产品——Quick-20m；20通道，电极可使用200多次，采样频率500Hz，24位ADC，使用2节AAA电池供电，可使用约6小时，获得FDA批准，主要用于获取EEG信号并传输至计算机。

4.3 G.tec

G.tec全称medical engineering GmbH，由Christoph Guger博士和Günter Edlinger 博士于1999年在奥地利创立。G.tec 开发和生产用于研究或临床目的的侵入性和非侵入性记录的高性能脑机接口和神经技术。

主要产品有生物信号放大器、侵入式/非侵入式刺激器和可穿戴脑电图耳机，以及获得CE认证和FDA批准的用户使用应用程序，可用于医院和康复中心的中风康复、大脑评估和通信昏迷/锁定患者或神经外科手术之前和期间的脑映射。

图 G.sahara产品示意图

代表产品——G.sahara：G.sahara的售价在20-30万左右，重量不是很轻。需要配合弹性脑电帽使用，设置时间小于1分钟，干电极的梳齿长度为7mm，共8个，中间留了一个小孔，可结合导电凝胶进行干湿电极混合信号采集，采集P300、SSVEP信号以及0.1-40Hz频段的EEG信号。

（二）湿电极

即传统的无创脑电电极，需要涂抹导电膏，使用与维护都不是很方便经典的湿电极通常是带有导电凝胶或糊状物的 Ag/AgCl 电极。这种电极设置也称为基于凝胶的电极。可以吸附导电溶液（如水凝胶）的固体状凝胶不属于导电凝胶。通过应用含有Cl-离子的导电凝胶，可以很好地建立不可极化的电极/电解质界面 (EEI)。此外，导电凝胶可以穿透头发，贴合头皮表面，水合高电阻角质层，从而确保稳定的电解质/皮肤界面 (ESI)。因此，湿电极可提供可重复的电极电位、低且稳定的电极/皮肤阻抗（通常低于5.0kΩ）以及高质量的信号。因此，湿电极已成为脑电图采集的金标准，并且是医院和实验室的首选。然而，制备湿电极的过程既繁琐又耗时，需要训练有素的技术人员在场。在典型的程序中，需要皮肤准备（皮肤清洁或擦伤）和导电凝胶的应用以实现低电极/皮肤阻抗。头皮磨损会带来感染的风险，并且在短期和长期都可能是痛苦的。此外，导电凝胶或胶粘剂会弄脏头发，甚至可能引起过敏反应。因此，参与者必须在脑电图检查后彻底清洗并擦干头发。由于凝胶的意外扩散，相邻电极之间经常发生短路，特别是在高密度记录的情况下。这些不便和不适问题限制了基于导电凝胶的脑电图的广泛使用。

（三）半干电极

半干电极弥合了典型湿电极和干电极之间的差距，保留了两者的优点，同时解决了它们各自的大部分缺点。通常，电解质的体积约为几十微升，这大大小于用于每个湿电极的导电凝胶（1-2毫升）的体积。使用如此少量的电解质，半干式电极不仅可以避免弄脏头发和防止短路，还可以对头皮进行局部补水，从而降低电极/头皮阻抗，有效地将电极与头皮耦合。得益于相对稳定的电极/皮肤界面的形成，半干电极对电磁干扰和运动伪影不太敏感。此外，半干式电极可以像干式电极一样轻松设置，录制后无需清洁头发。

半干电极按照其技术路线可基本分为压力式、毛笔式、充放式：

1.压力式半干电极：

压力式半干电极的特点是当处于特定压力下时，它们会将少量电解液从储存库释放到头皮。压力式半干电极的概念是由Mota和合著者在2013年首次提出的。他们提出了一种新型的用于脑电采集的基于银/氯化银涂层的聚氨酯(PU)半干电极原型（A）；

图 几种不同的压力式半干电极原理与实物图

基于类似的设计原理，已经开发出基于微孔钛(Ti)（B）、软导电刷毛（C）、水凝胶（D）、柔性多层（E）和微渗透海绵的用于脑电信号采集的半干电极。

2.毛笔式半干电极：

毛笔式利用多孔材料的毛细作用力在脑电图测量期间实现电解质的连续和受控释放，主要是基于毛笔原理。在这种情况下，不需要对容器进行连续加压。

图 毛笔式半干电极原理与实物图

目前研究所使用的“毛笔芯”主要有基于聚合物的（主要是聚碳酸酯 (PC）、多孔陶瓷芯的材质，半干电极的性能与湿电极的信号采集能力相当，但是陶瓷芯的硬度较大，使用舒适性不够高。

3.充放式半干电极：

在浸入电解液后，电极储存器可以在几秒钟内快速“充电”电解液。一旦电极接触皮肤，电解液就会以可控的方式自动从电极储存器“排放”到接触点。其关键因素是开发电解液储存器的多孔材料，既要有相当大的吸收能力，又要有电解质流体受控释放的储层。

充放式半干电极更为前沿，是目前研究的热点内容，仅有少量研究团队在做此部分研究，如国内的湖南工业大学的李广利团队、中科院半导体研究所的裴为华团队等。

4.代表公司与产品：

4.1 Neuroscan

Neuroscan成立于1985年，是一家高密度脑电图记录、电磁源定位、多模态神经成像和功能性MRI增强技术的供应商。Neuroscan的产品主要供应给相应的大学、企业实验室和国家研究机构。被Compumedics 收购后，Neuroscan开发了用于医院临床医生的紧凑型24小时动态脑电图记录仪以及用于大型研究中心的高度复杂的多模式神经影像设备。（2002年以4百万美元的价格被Compumedics收购）

此外， Neuroscan下属的Neuromedical Supplies公司主要生产用于研究和临床神经病学环境的各种附件和一次性用品。

图 Quick Caps产品示意图

代表产品——Quick Caps：最低32通道，最多256通道（64通道设置时间5分钟左右），电极材料为烧结Ag/AgCl，电解质使用的生理盐水，可搭配其放大器进行使用以采集EEG信号。

4.2 BrainProduct

Brain Products 由 Alexander Svojanovsky 和 Henning Nordholz 于 1997 年创立。BP发布了世界上第一个方便和自动化的基于Windows的EEG和ERP分析软件——Brain Vision Analyzer。Brain Products以Analyzer的成功为基础，为神经生理学研究领域的各种应用开发了许多创新的脑电图放大器和电极系统。Brain Products在三大洲设有办事处和子公司，分销网络覆盖50多个国家/地区。

图 R-Net产品示意图

代表产品——R-Net：通道数：32-160（取决于头围），电极材料为Ag/AgCl颗粒和海绵，已获批CE。

4.3 格林泰克

武汉格林泰克科技有限公司（Wuhan Greentek Pty. Ltd）创建于2006年，是无创电极领域为数不多的可与进口产品竞争的国产厂家。格林泰克专注于生物电传感领域，致力于精确脑电测量，格林泰克以高品质银/氯化银粉末电极、新型电极传感材料为核心技术，获得国际、国内多项专利。通过德国TUV南德公司的ISO13485质量管理体系认证，所有产品通过欧盟CE认证，获得国家二类医疗器械注册证，是专业的国际市场脑电电极及其相关产品的供应商。产品顺利进入全国众多三甲医院和科研院校，并远销海外，其核心产品银/氯化银粉末电极进入全球顶级300家脑电实验室。

图 格林泰克产品示意图

代表产品——BCI脑电帽：通道数：32-64；电极材料：银/氯化银粉末电极；可按照国际标准10-20脑电极定位方法固定连接；已获批CE与NMPA。

（四）无创电极总结：

排版：大大怪