腦電圖（EEG）傳感器的工作原理

什麼是腦電圖（EEG）感應器？

EEG感應器是一種電極或電極組件，用於檢測頭皮上的電訊號以進行腦電圖記錄。這些記錄反映了許多神經元的綜合活動，而不是單個細胞的活動。感應器是更大型系統的一部分，該系統還包括訊號放大、記錄和分析。

瞭解感應器的作用有助於區分硬體測量的數據與臨床醫生或研究人員從記錄中推斷出的內容。

EEG感應器的工作原理

神經元透過電和化學過程進行溝通，而一組組神經元之間的協調活動可以產生在頭皮上檢測到的微小電壓變化。EEG感應器與頭皮接觸並形成測量路徑的一部分；記錄系統會比較電極之間的電位並放大生成的訊號。該方法是非侵入性的，但記錄的波形會受到電極接觸品質以及運動、眼球活動和其他干擾源的影響。

因此，EEG記錄是一種隨時間變化的電測量，需要結合背景和適當的解釋。可靠的接觸至關重要，因為不穩定的接觸會引入雜訊或使記錄難以進行比較。研究人員和臨床醫生也會記錄電極位置和記錄條件，以便對數據進行負責任的解釋。

EEG感應器的類型

EEG感應器通常根據它們與頭皮的接觸方式以及是否使用導電媒介來進行描述。濕電極通常使用凝膠或其他導電媒介，而乾式設計則旨在不進行該準備步驟的情況下進行記錄。半乾式方法介於兩者之間，且感應器材料和形狀因系統而異。我們的電極介面指南解釋了為什麼電極的選擇和放置與記錄條件密切相關。

以下的大致區分對於初步比較很有用，儘管特定系統的性能取決於其完整設計和使用：

這些類別本身並不能說明某個感應器是否適合特定的研究。電極的放置、記錄硬體以及所研究的任务都會影響能從數據中學到什麼。當需要在不同的人或會話之間比較記錄時，一致的放置方案特別有用。

EEG感應器如何將離子電流轉化為電子訊號

當皮質神經元群體同步活動時，它們會產生在腦脊髓液、顱骨和頭皮中傳播的細胞外電流。在頭皮表面，這種離子運動可以被檢測為兩個位置之間微小的電位差。

神經科學感應器必須將這種離子訊號轉化為記錄電子設備可以處理的基於電子的電流，這一過程是透過電極與電解質介面處的可逆電化學反應實現的。這種轉換的保真度主要取決於接觸的阻抗：低且穩定的阻抗可確保微小的離子電流在被感應之前不會被熱雜訊衰減或損壞。

當感應器貼在皮膚上時，它會形成一個產生特徵電位的半電池。介面處任何機械引起的干擾，例如患者轉頭或拉扯電纜，都會引起該電位的波動，這很容易淹沒微伏級的大腦訊號。

因此，理想的EEG感應器必須在提供機械穩定連接的同時保持電學上的安靜介面，儘管存在頭髮和身體的自然運動。EEG感應器設計的三大類——濕式、乾式和主動式——各自以完全不同的物理策略來應對這一傳導挑戰。

濕式EEG電極的優點與局限性

用於臨床和研究EEG的金標準感應器仍然是與電解膏或凝膠結合使用的氯化銀/銀（Ag/AgCl）電極。其主導地位源於 Ag/AgCl 電極對特性明確的電化學性質。

當與含有氯化物的電解質接觸時，塗有氯化銀層的銀基底會參與可逆的氧化還原反應：Ag ↔ Ag⁺ + e⁻。此反應提供了一個非極化介面，這意味著電流可以穿過邊界，而不會產生會使記錄失真的巨大超電勢。半電池電位很穩定，且反應動力學足夠快，能夠忠實地追蹤與生物學相關的EEG頻率成分，通常從 1 Hz 以下到大約 50 Hz。

在實際應用中，單靠金屬顆粒無法形成與頭皮的可靠電路徑。這就是導電凝膠發揮至關重要作用的地方。

凝膠是一個離子橋，因為它能為皮膚最外層的死細胞層（角質層）補充水分，使其膨脹，並將其通常高達兆歐級的電阻降至幾千歐。凝膠契合皮膚表面的微觀凹坑和皺褶，增加了有效接觸面積，並為離子流創造了一條低阻抗、低雜訊的通道。

因為凝膠是一種粘性流體，它能使機械運動解耦；金屬顆粒可以在凝膠柱內微調移動，而不會將該位移作為壓力變化傳遞到皮膚介面。其結果是感應器的接觸阻抗通常在幾千歐的數量級，具有低內在雜訊和對運動偽影的極佳抵抗力。

然而，這些電學優勢是以機械和實用方面的成本為代價的：

1. 凝膠脫水隨著時間推移會提高阻抗，並最終導致電極失效。

2. 皮膚準備需要用酒精清潔和偶爾的磨砂，這增加了時間和不適感。

3. 頭髮中殘留的凝膠需要在記錄後洗頭，這使得長時間無人看管的使用變得不切實際。

對於任何延伸到一天以上或需要真正無人看管的便攜式消費級EEGheadset的應用，經典的濕電極都變得不切實際。正如最近的一篇前瞻性評論所指出的，雖然濕電極提供了參考標準，但對於具有高靈敏度、高準確性、舒適性和堅固性以供長期和反覆使用的「乾式頭皮腦電圖感應器作為非侵入性探針」的需求，已成為材料創新的主要驅動力。

矽膠乾電極如何實現免凝膠EEG記錄

乾電極完全放棄了電解質凝膠。固體導電感應器表面必須直接壓在皮膚上，而不是使用離子橋。

這項挑戰是雙重的：電學和機械學。

一項工程研究試圖利用一種新型的主動順應機制來解決這個機械問題，該機制透過受控的多相運動主動撥開頭髮。該感應器是透過注射成型由生物相容性矽膠製成的，這種製造工藝可以精確、可重複地生產所需柔性結構。

與簡單的線性按壓不同，該機制執行一種類似螺絲的螺旋旋轉運動。當致動器推進時，感應器元件旋轉並同時延伸，有效地「旋轉穿透」頭髮層，直到其尖端與頭皮直接進行機械接觸。此設計旨在提供一個穩定、可重複的介面，而無需進行任何皮膚磨砂或流體耦合劑。

該研究的功能演示器在受控的氣動壓力下進行了測試。在 650 毫巴的施加壓力下，原型達到了超過 3 毫米的高度延伸和大於 45 度的旋轉角度，這達到了穿透頭髮層所需的預設設計目標。將實驗結果與用於設計幾何形狀的計算模型進行了對比。

測量的高度變化與模擬值偏差約為 +17%，旋轉角度偏差為 +6%。這些差異表明，雖然計算模型捕捉到了主要的力學特徵，但現實世界的因素（如摩擦變化和頭髮密度）會引入可測量的差異，這些差異在任何高精度應用中都必須予以考慮。

在這裡，矽膠的順應性至關重要：透過將壓力分佈在稍大的區域上，並允許尖端在推進時輕微彎曲，該機制防止了使剛性乾電極如此不舒服的劇烈點加載。

然而，電學上的折衷仍然存在。即使在頭髮被撥開並建立了機械接觸之後，乾式導電尖端（無論是金屬塗層、導電聚合物還是燒結複合材料）在沒有凝膠橋的情況下面對皮膚。

接觸阻抗大大高於濕電極，通常在兆歐範圍內測得。在這些阻抗水平下，感應器對電磁干擾和電纜傳導的雜訊變得異常敏感，這正是感應器上電子設備變得不可或缺的地方。

主動屏蔽與感應器上電子設備的重要性

具有兆歐級接觸阻抗的乾電極連接到長且無屏蔽的電纜上，會形成一個極佳的接收天線。電纜電容和無處不在的 50 或 60 赫茲工頻電場會耦合到高阻抗源中，並且由於分壓效應，大部分干擾電壓會降落在電極介面，而不是被放大器輸入端衰減。在這種情況下，微伏級的大腦訊號在到達傳統的中央放大器之前，就可能完全被干擾淹沒。

工程上的解決方案是將第一級放大移動到物理上盡可能靠近傳導點的位置。感應器元件可以直接在感應器基底上整合一個緊湊、高輸入阻抗的緩衝放大器，而不僅僅是在皮膚上放置一個無源金屬接觸。

一項相關的設計研究詳細介紹了一種特殊的電極晶片，該晶片整合了極高輸入阻抗級以及卓越的共模抑制比（CMRR）。透過在源頭對訊號進行緩衝，該晶片將高阻抗介面轉化為低阻抗輸出，從而可以驅動電纜，且對電雜訊的敏感度大大降低。

高輸入阻抗確保了對原本就很微弱的離子電流的負載最小，而高共模抑制比（CMRR）則排除了典型EEG通道的兩個差分輸入端共有的干擾。重要的是，這種主動式感應器方法本身並不會降低皮膚與電極之間的阻抗；相反，它將該阻抗與系統的其餘部分進行電氣解耦，從而使訊號完整性取決於局部緩衝器的性能，而不是取決於電纜佈線的變化。

這種主動的前端架構保留了一個基本特徵：它仍然是一個純粹的電傳感器。潛在的離子到電子的轉換仍然發生在乾金屬與皮膚的介面，並產生該介面產生的任何半電池電位和雜訊。

緩衝器放大並進行阻抗轉換生成的電壓，但無法抑制由於乾式接觸本質上不穩定的半電池電位而引起的低頻漂移。因此，主動式乾電極通常需要為接觸表面仔細選擇材料——如金、鉑或特殊的導電塗層——以在保持生物相容性的同時，盡量減少自發電位偏移。

EEG感應中的先進材料與多模態前沿

展望未來，感應器基底本身有望演變到標準金屬之外。同一篇指出推動乾電極發展的前瞻性評論也強調了生物相容性奈米材料的前景：導電聚合物、石墨烯薄片、碳奈米管網絡以及將高導電性與彈性體柔韌性融合在一起的混合複合材料。

此類材料具有三個潛在優勢：

1. 第一，其有效表面積可以比光滑的金屬顆粒大幾個數量級，這透過純電容機制直接降低了接觸阻抗。

2. 第二，其機械順應性使感應器能夠契合頭皮的彎曲地形，增加了真實接觸面積，而無需施加壓力使皮膚平整。

3. 第三，奈米材料塗層經設計，當貼在皮膚上時，其接觸電位漂移低於裸金屬，這可能會減少目前限制乾電極性能的低頻雜訊。

同一篇評論提出了一項進一步的措施，即在單個換能器元件中整合多種感應模態。感應器不單單依賴於電位測量，還可以納入光學組件（例如微型光電二極體），以同時探測局部組織的血液動力學。

其概念性原理是，由於電訊號和光訊號源自大腦活動不同但相關的方面，在同一設備中對它們進行交叉驗證可以增加測量置信度並有助於識別偽影。這種方法被描述為一種透過不同物理機制探測相同神經資訊的「冗餘」形式。值得注意的是，這在目前仍然是一個實驗室概念。

選擇合適的EEG感應器

選擇EEG感應器要從預期用途開始，而不是單一規格（如電極數量）。臨床檢查、實驗室研究、課堂演示和消費者互動可能需要不同的程序和設備。舒適度、準備時間、放置可重複性以及與採集硬體的相容性也決定了實際的選擇。

因此，感應器只是完整記錄系統的一個組成部分。

EEG感應器成本與需要考量的因素

成本因感應器設計和系統其餘部分（包括放大器、電極帽或安裝方法、軟體和配件）而異。如果需要設定材料或更換組件，較低的購買價格並不一定意味著較低的總成本。相反，較高的通道數並不自動意味著更有用；電極的數量和放置應符合正在研究的問題。

有用的比較會同時考量系統的功能以及使用系統的條件。例如，可重複的放置可能是研究的核心，而簡短的教學演示可能會優先考慮簡單的設定。要比較的常見因素包括：

• 電極類型及其所需的準備工作。

• 記錄通道的數量和位置。

• 與放大器、軟體和數據格式的相容性。

• 舒適度、清潔、維護和更換需求。

綜上所述，這些因素有助於解釋為什麼沒有普遍最好的EEG感應器。選擇應反映記錄協議和所需的證據級別，而不是孤立的功能列表。對於醫學評估，設備的選擇和解釋屬於適當的臨床實踐範疇。

為您的應用配對 Emotiv Headsets 和感應器類型

上述的接觸物理學解釋了為什麼 Emotiv 的 headsets 在訊號穩定性、設定時間、通道數和便攜性之間做出了深思熟慮的權衡。適合 32 通道實驗室研究的感應器類型很少適合全天候健康應用，正確的選擇取決於所提出的問題。

凝膠感應器：Emotiv Flex 2 Gel

Flex 2 Gel 使用環形燒結氯化銀/銀（Ag/AgCl）感應器和導電凝膠，這與使濕電極成為參考標準的凝膠橋原理相同。該電極帽在標準 10-20 位置提供 74 個開口，最多可在其中任何一個開口中放置 32 個感應器。

它的優勢是穩定、低阻抗的接觸，在長時間記錄中表現出色，這使其最適合長時間會話、高密度EEG研究以及訊號穩定性至關重要的研究。折衷之處在於它是產品線中準備時間最長的，以及前面描述的凝膠殘留物。

即便如此，其設定仍比傳統的有線實驗室系統更簡單。

鹽水感應器：Emotiv Flex 2 Saline 和 Epoc X

鹽水感應器使用浸泡在鹽水溶液中的毛氈墊在頭皮與感應器之間傳導訊號。它們介於凝膠和乾式設計之間：無需清洗凝膠，且設定只需幾分鐘。

Flex 2 Saline 採用相同的 32 通道、74 開口電極帽，並帶有補水孔，可讓研究人員在會話期間為感應器補水。它適合需要自訂蒙太奇且工作流程比凝膠更快的研究。

Emotiv Epoc X 是一款 14 通道 headset，固定位置在 AF3, F7, F3, FC5, T7, P7, O1, O2, P8, T8, FC6, F4, F8 和 AF4。它的感應器可以在不取下 headset 的情況下進行補水，其旋轉頭帶和無線設計適合移動使用。

這使其成為認知研究、腦機介面（BCI）開發以及實驗室外野外研究的極佳選擇。任何鹽水感應器的缺點在於毛氈會隨著時間推移而變乾，這就是為什麼可補水設計很重要的原因。

半乾式感應器：Emotiv Insight

Emotiv Insight 使用親水性半乾式聚合物感應器，可避免凝膠並消除大部分準備負擔。它以每秒 128 次採樣的速度記錄五個通道（AF3, AF4, T7, T8 和 Pz）。

它的優勢在於速度。Insight 可以在幾分鐘內戴上並進行記錄，採用輕巧的形式，適合快速部署、入門級 BCI 專案、開發人員工作和個人大腦測量。

乾式感應器：Emotiv MN8

MN8 使用放置在左右耳道中的乾式導電彈性體耳塞感應器，具有兩個通道加上四個參考通道。它專為隱形和便利而打造，設定極少，電池壽命長達六小時，並支援立體聲音訊。這適合專注力追蹤、放鬆和日常的認知健康，人們希望在不戴帽子的情況下獲取大腦數據。

要點

• Flex 2 Gel（凝膠，高達 32 通道）：長時間記錄、高密度研究、最高穩定性。

• Flex 2 Saline（鹽水，高達 32 通道）：可配置的研究，設定更快。

• Epoc X（鹽水，14 通道）：移動研究、BCI開發、野外研究。

• Insight（半乾式，5 通道）：快速部署、入門專案、個人使用。

• MN8（乾式，2 通道）：隱蔽的日常認知健康測量。

沒有哪種感應器是全面最好的。實際的方法是思考研究需要多少訊號穩定性和空間細節，以及能承受多少設定時間。對於在這些 headset 中進行原始EEG訪問和匯出，EmotivPRO 提供了記錄、事件標記和品質測量，而原始數據存取需要 PRO 授權。

為什麼感應器接觸物理學比 Headset 設計更重要

從大腦訊號到可讀腦電圖的路徑要經過感應器與頭皮接觸的微小材料邊界。

使用導電凝膠的濕電極仍然是參考標準，因為它們能建立低阻抗、電化學穩定的接觸，但它們對皮膚準備和乾燥凝膠的需求限制了長期穿戴的使用。乾式設計透過使用機械運動和感應器上的放大器解決了頭髮和凝膠的實際問題，但它們較高的接觸阻抗和未經證實的現實世界耐用性意味著它們目前還不能取代濕電極。

最真實的要點是將工程學的前景與臨床證據區分開來。矽膠螺旋開口機制、主動緩衝晶片和奈米材料塗層均由原型研究和概念性評論提供支援，而非由針對不同使用者的微型試驗提供支援。

在未來的研究直接將舒適度、雜訊和多日穩定性與濕電極進行對比測試之前，這些進步應被視為有前景的路徑，而不是經過驗證的升級。

參考資料

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3. Li, G. (2007). Design of a Special Electrode Chip for the Extraction of Electroencephalogram Signal. Journal of Huaqiao University.

常見問題解答

EEG感應器的基本工作是什麼？

EEG感應器充當物理換能器，將來自大腦的離子電流轉化為記錄設備可以讀取的電子電壓。它必須在與頭皮接觸點忠實地做到這一點，同時處理高皮膚電阻和頭髮等障礙。

為什麼皮膚外層是EEG記錄的一個問題？

角質層（即外部死皮層）具有本質上很高的電阻，這使得微小的大腦訊號很難穿過。此外，頭髮在物理上使剛性感應器遠離下方的導電皮膚，從而帶來了電學和機械學上的挑戰。

傳統的濕電極是如何工作的？

濕電極使用覆蓋有導電凝膠的氯化銀/銀（Ag/AgCl）金屬顆粒。凝膠為乾燥的外部皮層補充水分並使其膨脹，從而降低其電阻，而 Ag/AgCl 提供穩定的電化學反應，將離子電流轉化為電子電流。

為什麼濕電極不適合長期或穿戴式使用？

濕電極中的凝膠會隨著時間推移而變乾，這會提高阻抗並導致訊號失效。它們還需要進行皮膚準備，並留下需要清洗頭髮的殘留物，這使得它們在無人看管、多日的使用中顯得不切實際。

乾電極和濕電極之間的主要區別是什麼？

乾電極不含凝膠，必須將其固體導電表面直接壓在皮膚上，從而導致高得多的接觸阻抗。在沒有凝膠橋的情況下，乾式感應器還必須依賴機械設計——例如順應性矽膠結構——來繞過頭髮並保持穩定的介面。

為什麼「主動」感應器設計對乾電極很重要？

主動式感應器直接在電極上放置一個緩衝放大器，在源頭將高阻抗訊號轉化為低阻抗輸出。這可以防止電纜雜訊和工頻干擾淹沒微小的大腦訊號，即使它並不能降低實際的皮膚與電極阻抗。

奈米材料為未來的EEG感應器提供哪些優勢？

導電聚合物和石墨烯等奈米材料可以大大增加有效表面積，從而透過電容耦合降低接觸阻抗。它們還能彎曲以契合頭皮，在無需承受重壓的情況下改善接觸，並可能表現出較低的電位漂移，從而減少低頻雜訊。

凝膠在降低皮膚電阻方面的作用是什麼？

凝膠充當離子橋，為外部角質層補充水分，使其膨脹並降低其通常很高的電阻。它還能填充微小的表面不規則處，增加接觸面積並為離子電流形成低阻抗、低雜訊的通路。