如何選擇最適合的EEG電極技術？

在腦電圖（EEG）研究領域，選擇合適的電極技術對于獲取高質量的腦電信號至關重要。今天，我們將帶您了解不同電極技術的特點，幫助您為實驗選擇最合適的方案。

背景

您可能聽說過主動電極、被動電極、凝膠電極、干電極和海綿電極等技術。每種技術都有其獨特的優勢和局限性，適用于不同的實驗場景和需求。

在選擇EEG電極技術之前，我們需要考慮以下幾個問題：

1.信噪比：您是否追求極高的信噪比，還是愿意為了快速、舒適的采集數據犧牲一小部分數據質量？

2.被試群體：您的實驗對象是健康成年人、兒童還是病人？

3.數據采集環境：您計劃在噪音屏蔽室中進行數據采集，還是在可移動的真實場景中？

4.電極分布：您需要高覆蓋率的電極分布，還是僅需要幾個電極通道？

5.實驗持續時間：您的實驗將持續多久？

6.多模態數據采集：您是否計劃使用EEG與其他神經調控或監測設備（如fMRI、TMS、fNIRS等）采集多模態數據？

電極阻抗

電極阻抗（Electrode impedance）是衡量電流通過物質難易程度的指標。低阻抗意味著更好的信號質量和更高的信噪比。

為了達到低阻抗，傳統方法需要使用磨砂膏或導電膏，這會增加準備時長并降低被試的舒適度。因此，研究人員發展了主動電極技術，它能夠在較高阻抗水平下采集高質量的腦電信號。

主動電極技術概述

①替代傳統被動電極：通過采用主動電極技術，我們能夠顯著提高信號的質量和穩定性。

②電氣屏蔽技術：在電極頭或線纜上實施電氣屏蔽技術，有效減少外部電磁干擾，確保信號的純凈度。

③減少線纜移動：通過規劃線纜在帽子上的布局，能夠最小化線纜位移，從而降低因移動引起的信號干擾。

在傳統的被動電極技術中，我們可以將EEG電極（包括其線纜的整個長度）視為一個天線，它可以探測任何類型的電磁活動。在信號到達EEG放大器之前，EEG信號可能會與影響電極頭和線纜的電磁噪聲混合在一起，最終在EEG放大器處信號被轉換和放大（見圖1）。

主動電極技術的解決方案，即為電極配備一個小型電子電路，該電路直接在頭皮上執行阻抗轉換。通過模數轉換的方式，在電極端將模擬信號轉換為數字信號，通過線纜傳導至放大器。這一過程顯著降低線纜作為天線接收外界電磁干擾的風險，從而減少“天線效應”。因此，每個電極內部的阻抗轉換器可以保證EEG信號的高質量（見圖1）。

圖1：被動 VS 主動電極技術

接下來將會為您介紹一些其他經典的電極技術，它們囊括了不同的頭皮與電極接觸方法。

凝膠電極技術

顧名思義，使用凝膠介導頭皮與電極之間的聯系，該方案可以得到極高的信號質量。凝膠能夠確保電極與頭皮之間的長時間穩定接觸，這對于那些包含大范圍移動與長時間的實驗是極為友好的。

海綿電極技術

采用濕海綿接觸頭皮的被動電極，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分鐘的實驗，減少了準備時間并提升了被試舒適度。

干電極技術

無需導電凝膠或鹽水，干電極技術以快速設置和衛生便捷為優勢。盡管阻抗較高，但通過策略如主動電極技術和電屏蔽，仍能保證良好的信號質量，適用于短時實驗和ERPs研究。

圖2：Brain Products為不同的電極技術提供了適配解決方案

影響電極技術選擇的因素

分析目標的復雜性

- 對于測量經典且容易捕捉的ERP成分（如視覺誘發電位、P300），可以選擇準備時間短的干電極或海綿電極技術。

- 對于需要高信號質量的微小ERP成分或微妙現象，推薦使用主動電極或凝膠電極技術。

實驗對象

- 成年人可自由選擇電極系統。

- 嬰幼兒或不耐靜止的被試，推薦使用海綿電極。

- 實景記錄或神經反饋、腦機接口領域，可考慮干電極。

實驗持續時間

- 短時實驗（30-45分鐘）：選擇制備快、易清理的干電極或海綿電極。

- 中等時長實驗（60-90分鐘）：推薦海綿電極或主動電極。

- 長時實驗（90分鐘以上）：需用凝膠電極以保持長時間穩定接觸。

電極靈活性

- 采用主動電極技術，更方便您的實驗選擇。

傳統的被動電極技術，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節。如果使用主動電極技術則可以靈活選配不同頭圍大小的帽子，并且一旦單個電極出現故障，也無需將整個電極束送修。

EEG應用領域的電極技術選擇

根據不同的應用場景，選擇合適的電極技術至關重要：

運動實驗：

- 大幅度運動（如跑步、跳躍）：推薦使用基于凝膠的電極技術，以保持穩定的電極-頭皮接觸，減少運動引起的偽跡。

- 輕微運動（如駕駛、慢走）：可以考慮使用基于海綿的鹽水電極與LiveAmp結合，或CGX Quick系統，這些技術在小幅度運動中也能提供良好的信號質量。

EEG-fMRI：

出于安全考慮，只能使用被動電極技術。為了獲得高質量的數據和較寬的頻帶，BrainCap MR和BrainAmp MR（Plus）放大器是黃金標準。BrainCap MR電極配備了限流電阻器，其電纜在帽子上緊密布線，以避免環路和線纜移動。此外，MR多點式電極環采用C形設計，避免了磁場內的閉合環路，并最小化過熱的風險。

如果您的被試是特定人群（如兒童等）或準備時間較短（特別是高通道數情況下），您可以考慮使用基于海綿的鹽水電極技術R-Net（MR兼容版本）。這款電極帽采用被動電極技術，每個電極配備限流電阻，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信號質量，通過離線校正的方式減弱運動和心球偽跡。

EEG-TMS：

在應用經顱磁刺激（TMS）同時記錄EEG時，基于凝膠的電極系統是處理刺激偽影的解決方案。主動電極技術能夠自由布線且優化數據質量；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電極技術，BrainCap TMS兼容電極帽及其TMS多點式電極（Multitrode）則是您的最佳選擇。如果您更傾向于主動電極技術，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），同時線纜可以自由布置。

圖3：不同電極頭厚度對比

刺激前后測量：

對于非同時進行的EEG和刺激治療，快速且易于設置的系統（如CGX Quick系統、actiCAP Xpress Twist或基于海綿的鹽水電極）更為合適。這種系統不需要被試洗頭，并且允許直接重復使用電極。

同時進行的EEG-fNIRS：

這種技術主要與基于凝膠的電極系統一起使用。同時進行EEG-fNIRS測量的最佳選項是actiCAP slim/snap，因為它提供了高度的靈活性，可以在fNIRS系統的光極和傳感器之間不同位置放置EEG電極。或者，如果您需要使用被動電極技術，也可以為您提供定制解決方案。

同時進行的EEG-MEG：

對于同時進行EEG和MEG記錄，BrainCap MEG的去磁電極（MEG Multitrodes）與BrainAmp MR（Plus）放大器結合使用，可以提供高質量的數據。在這個帽子上，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MEG信號的任何干擾。

結語

本文旨在幫助您根據研究需求挑選最合適的電極技術。不同的研究場景對電極技術有著不同的要求，而某些應用可能允許更多的靈活性。在做出選擇時，請權衡各項因素的影響以及您的個人偏好和經驗。這些考量將助您找到最能滿足您研究需求的電極技術。