[0001] 本实用新型属于电生理信号检测技术领域，具体涉及一种脑电电极。

[0002] 脑电波（Electroencephalogram, EEG）信号是由大脑皮层或头皮表面神经元细胞体生理活动产生的电位信息的综合，包含有大脑丰富的节律信息[1]，可广泛应用于脑疾病诊断，康复，脑机接口（BCI），疲劳检测等领域。它被认为是检测癫痫发作，心理性非癫痫发作，偏头痛，脑病等疾病的主要方法[2]，同时也是睡眠疾病诊断的重要依据。然而脑电信号幅度一般小于100μV[3]，因此脑电信号的捕获对脑电电极本身以及后级调理电路提出了很高的要求。其中，后级调理电路技术已经趋于成熟。相比而言，由于电极复杂的电学特性、以及生物电信号采集的特殊要求，脑电电极的研究方兴未艾。

[0003] 现有技术中，脑电电极可以分为湿式电极和干式电极两大类。湿式电极指的是需要配合导电膏使用的电极。通过前期的皮肤准备以及在采集位置涂抹导电膏操作，使得在电极与人体皮肤表面形成一个金属-电解液界面，从而降低皮肤的超高电阻抗获得高信噪比的信号。现有的湿式电极以金杯电极（Gold Cup Electrode）[4]和Ag/AgCl电极[5]为代表。金杯电极是在纯银电极的基础上电镀金金属制备而成，克服了纯银电极长时间使用的氧化问题。使用时，需要使用导电膏将金杯电极和皮肤进行连接，等待充分接触并且信号稳定之后进行信号的采集。其作为EEG信号采集的标准电极，具有导电性能优良、信号稳定、信号信噪比高等优点。但是导电膏的涂覆需要在医护人员的帮助下使用大量的时间完成，并且长时间的采集将会导致被试者的不适，严重时将会导致过敏红肿反应。此外，实验后的清洗也非常麻烦。对于Ag/AgCl电极，由于其制备方便、价格便宜，并且具有电信号基线稳定、抗干扰能力强等电子学特点，因而被业界广泛使用。但是由于电极中的导电凝胶存在脱水干燥的现象，因而在长时间使用的时候其电特性会发生变化，在高精度的实验中将引入较大的噪声和误差。

[0004] 为了解决湿式电极存在的问题，各种研究都致力于研发不需要使用导电膏、导电凝胶的干式电极。干式电极由于不需要皮肤准备以及涂抹导电膏等操作，其非常适合应用于未来健康监护、康复、疾病诊疗以及脑机接口BCI等领域。微针电极[6]是目前脑电采集技术中最普遍采用的干电极。微针电极是一种使用微针技术设计研发的电极，其通过微细制造方法在硅材料、金属、聚合物和玻璃等材料表面制造形成的阵列式微针结构，直接刺穿角质层来减小其超高电阻抗对信号采集的影响。其使用较为方便可靠，具有较小的阻抗，较小的电化学特性，更利于长期测量使用。但是缺点在于使用时要避免伤到真皮层、避免对神经和血管的伤害。与此同时，其他的织物电极虽然在穿戴式心电、肌电信号采集系统中有着良好的应用，但是在应用于脑电采集时，由于头发带来的接触不良以及皮肤的阻抗效应使接触阻抗进一步增大，使得EEG信号的采集变得更加困难。

[0005] 为了克服传统湿式电极操作复杂、难以长时间可穿戴式采集信号，以及克服干式电极信号质量差等缺点，本实用新型提出了一种基于硅胶基底的柔性干电极。该电极与头皮结合舒适紧密，同时由于高导电材料的使用，使得在不使用导电膏、导电凝胶的前提下获得高质量的原始信号成为可能。经过电极电学性能的测试论证，表明该电极具有佩戴舒适、操作简便、灵敏精度高等优点，适用于健康监护、可穿戴式脑电信号采集等领域。

[0006] 参考文献

[0007] [1] 韩丰谈,朱险峰.医学影像设备安装与维修学[M].北京:人民卫生出版社,2008:162-172.

[0008] [2] Acharya, D., Rani, A., & Agarwal, S. (2015, September). EEG data acquisition circuit system Based on ADS1299EEG FE. In Reliability, Infocom Technologies and Optimization (ICRITO)(Trends and Future Directions), 2015 4th International Conference on (pp. 1-5). IEEE.

[0009] [3] Oohashi, T., Kawai, N., Honda, M., Nakamura, S., Morimoto, M., Nishina, E., & Maekawa, T. (2002). Electroencephalographic measurement of possession trance in the field. Clinical Neurophysiology, 113(3), 435-445.[0010] [4] Tallgren, P., Vanhatalo, S., Kaila, K., & Voipio, J. (2005). Evaluation of commercially available electrodes and gels for recording of slow EEG potentials. Clinical Neurophysiology, 116(4), 799-806.

[0011] [5] Verma, N., Shoeb, A., Bohorquez, J., Dawson, J., Guttag, J., & Chandrakasan, A. P. (2010). A micro-power EEG acquisition SoC with integrated feature extraction processor for a chronic seizure detection system. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 45(4), 804-816.

[0012] [6]刘冉,王晓浩,&周兆英.(2004).MEMS 微针阵列及其在生物医学上的应用.生物医学工程学杂志,21(3),482-485.。

[0057] 按前述步骤制备新型柔性脑电电极：

[0058] （一）柔性硅胶电极片的制备：

[0059] （1）将2 ml浓度为5 wt%的银纳米线（Ag NWs）分散液滴涂在5cm×5cm玻璃衬底表面，60℃加热干燥10min得到三维银纳米线导电网络薄膜；

[0060] （2）将1mlPDMS溶液浇筑到步骤（1）制备得到的银纳米线导电网络薄膜表面，静置1h，然后60℃加热固化5h，待PDMS完全固化后小心从玻璃衬底表面剥离得到柔性硅胶电极，其具体结构见附图1，纯PDMS硅胶层作为柔性衬底，厚度为100μm，Ag NWs/PDMS复合层作为导电层，厚度为10μm。需要说明的是，Ag NWs三维导电网络是嵌在PDMS表面内的，而不是只是简单的覆盖在其表面，因此在满足导电性的情况下，同时具有很好的附着力，在弯曲、扭曲、甚至拉伸的情况下不会发生脱落，完全满足脑电电极的应用需求。

[0061] 将新型柔性硅胶脑电电极的按图3进行安装并测试。首先将FPC电极导线A从脑电帽固定基座E与电极片外固定卡扣固定螺母B之间的缝隙穿入；然后将FPC电极导线A前段长约4mm部分安置在脑电帽固定基座E上的安置槽内；紧接着将电极导线固定卡扣F插入在脑电帽固定基座上位于安置槽上方的卡槽内；随后再将按照图2裁剪好的柔性硅胶电极片D的连接柄插入FPC电极导线A与安置槽内壁之间的空隙中；此外，将电极片外固定卡扣F内壁上的隆起处对齐于安置槽后，将电极片外固定卡扣F套在脑电帽固定基座外面，并确保柔性硅胶电极因脑电帽固定基座下部球形面挤压而高于电极片外固定卡扣F下缘约为1.5mm；最后将旋转电极片外固定卡扣固定螺母B将电极片外固定卡扣F固定。

[0062] 目前，在临床上广泛使用的脑电电极是金杯电极或者Ag/AgCl电极，往往在电极与皮肤接触部分附有导电凝胶提升贴合程度和导电性能、降低皮肤-电极间阻抗。然而，随着使用时间的增加，导电凝胶趋于硬化、有关性能显著下降。

[0063] 本实用新型提出的柔性脑电电极不需要导电凝胶，材料自身的力学性能使其能长期保持与皮肤的良好接触。电化学工作站测试结果显示，所提出的电极的皮肤-电极间阻抗在0.1 Hz-100k Hz范围内与金杯电极和Ag/AgCl电极可比,而几乎所有生理信号（如脑电、心电、肌电等）的频率都分布在0.1 Hz 到 1k Hz的 范围内。其不需要导电凝胶的特点使其在可穿戴设备的应用场景中相较于Ag/AgCl电极具有明显优势，跟金杯电极相比，采集到的质量不分上下，且适宜长期监护。图4和图5分别给出了本专利所提出的电极与金杯电极、Ag/AgCl电极的皮肤-电极间阻抗在0.1 Hz-100k Hz范围内在Fp1（左额极，无头发附着）和F3（左额，有头发附着）位置的对比。在0.1Hz到200KHz频段内，专利提出的柔性硅胶电极具有最小的皮肤电极界面阻抗，在直流频段附近大约为金杯电极的一半（15K欧姆左右），同时阻抗分布与EEG标准金杯电极相似。较小的皮肤电极界面阻抗使得等效信号源内阻较小，从而减弱由于信号源内阻较大带来的信号畸变问题。三种电极中Ag/AgCl电极具有最大的阻抗，对应在实际应用中很难使用Ag/AgCl电极进行EEG信号的采集。

[0064] 此外，对于电极而言，除了电学性能表现要优良之外，能够采集到有效的信号才是最终的目的。因此使用医疗级商用多导睡眠监护仪PSG(Compumedics Grael)设备进行信号采集验证。实验条件如下：为了保证严格的变量控制，受试者要求在实验前进行清洗保证试验不受汗水、油渍等的干扰，并且试验在一个小时内结束，假定在这段时间受试者身体状态保持不变（皮肤接触以及阻抗状态不会随时间推移发生大的变化导致试验失败），采样频率为256Hz。在Fp1区域利用三种电极进行对比测试。在F3区域，由于头发的干扰，Ag/AgCl电极采集到的信号质量较差，故在F3区域只进行了新型柔性脑电电极与金杯电极的对比测试。本实验对采集得到的原始信号进行时域以及频域分析，根据其特征论证电极设计的可行性。图6和图7分别给出了新型柔性脑电电极与Ag/AgCl电极、金杯电极在Fp1区域采集到的脑电信号以及频域分析对比图。图8和图9新型柔性脑电电极与金杯电极在F3区域采集到的脑电信号以及频域分析对比图。从时域来看，二者具有相同的波形，表明二者信号采集的有效性。从频域来看，二者采集信号的频谱结构完全一致，再一次论证了电极设计的合理性。