脑电图（EEG）电极详解

什么是脑电图（EEG）电极？

EEG电极是用于记录头皮电位差的导电传感器。它们不产生脑活动，也不直接观察单个神经元；相反，它们检测通过头部组织到达头皮的电压变化。产生的信号被发送到放大器和记录系统，以便进行可视化和分析。 

用于脑电图的电极如何工作以捕获大脑信号

在皮肤与电极的界面处，体内的离子活动被转换为记录系统可以测量的电信号。放大器比较来自不同电极的信号（通常是相对于参考电极或通过定义的导联组合），以产生随时间变化的电压迹线。由于信号很微弱，因此稳定的接触和对干扰的仔细控制对于获得可用的记录至关重要。

电极本身只是测量链的一环。皮肤准备、导电介质、电缆移动、电极阻抗、环境电噪声和生理伪迹都会影响记录到的波形。因此，必须结合记录设置和参与者的状态来解读EEG数据，而不能将其视为大脑活动的直接、未经过滤的画面。

EEG电极的类型

EEG电极通常根据它们与头皮建立和维持电接触的方式进行分类。湿式设计使用导电介质，干式设计在不添加凝胶或液体的情况下工作，而半干式设计则引入更少或控制更精确的流体。 

这些类别描述的是接口，而不是简单的优劣排名。合适的设计取决于记录的持续时间、环境、密度和目的。

湿式EEG电极

湿式EEG电极在电极和头皮之间使用凝胶、膏剂、盐水或其他导电介质。该介质可以降低皮肤界面处的阻抗，并有助于在记录期间保持稳定的连接。传统的临床和研究系统经常使用这种方法，因为在仔细进行准备工作时，它可以支持一致的信号采集。

折中之处在于准备和清理工作。可能需要将头发拨到一边，皮肤可能需要进行准备，并且每个接触点可能需要填充或补充导电材料。过度移动、介质变干或涂抹不均匀仍可能引入伪迹。因此，湿式电极将强大的接触性能与较为繁琐的设置过程结合在了一起。

干式EEG电极

干式EEG电极旨在与头皮接触，而无需单独涂抹导电凝胶或液体。它们的表面可能使用导电金属、涂层、插针或其他适应头发和头皮轮廓的接触几何结构。通过免除与湿式系统相关的大部分准备和清理工作，干式电极在便携式、重复性或时间敏感的记录中非常有用。

它们的性能对机械贴合度和接触压力很敏感。头发、皮肤质地、移动和电极几何结构可能会影响阻抗和舒适度，特别是在高密度布置中。干式系统可以简化部署，但简化的准备工作并不能消除评估信号质量和伪迹的必要性。

半干式EEG电极

半干式EEG电极介于湿式和干式设计之间。它们使用有限的导电液，通常通过集成的储液槽或控制通道输送，而不是像湿式电极那样需要手动为每个电极涂抹相同数量的凝胶。这种设计旨在保持可靠接触的同时，减少准备和清理工作。

该设计引入了自身的工程考量，包括流体管理、储液槽容量、泄漏控制以及长期会话稳定性。当记录需要比完全干式接口更一致的接触，但又需要比传统湿式设置更少的准备工作时，半干式电极非常有用。它们的实用价值取决于系统在接触质量、舒适度和工作时间之间的平衡程度。

用于单次使用场景的一次性EEG电极

一次性EEG电极专为一次记录会话或产品说明中定义的其他有限使用间隔而设计。当对可重复使用组件进行清洁和再处理不切实际时，它们可以减少患者交叉污染的担忧并简化物流。许多一次性规格使用粘性或导电接口，并进行包装以便于受控应用。

当快速设置、感染控制程序或一致的准备工作是首要任务时，单次使用设计尤为适用。还应考虑其环境和运营成本，包括包装、废物处理、储存条件以及对更换库存的需求。一次性电极并不自动适用于所有持续时间或记录密度；其预期用途和接触行为仍然是核心问题。

此外，信号质量取决于皮肤接触、放置位置、电缆固定以及粘性或导电层的状况。在解读过程中，一次性电极应被视为采集链的一个组成部分，而不是无伪迹数据的保证。清晰标注电极类型、位置和会话时间有助于后期的审查和比较。

EEG电极中使用的材料

电极材料会影响电化学行为、耐用性、机械性能以及与预期记录方法的兼容性。材料必须支持与导电介质和人体的稳定接口，同时产生可控的噪声和极化特性。电极的涂层、形状、连接器和放大器排列也很重要，因此仅凭材料本身并不能决定性能。

银/氯化银 (Ag/AgCl)

银/氯化银（通常写为Ag/AgCl）被广泛用于生物电位记录。当与含有氯化物的合适导电介质一起使用时，其电化学特性可以支持相对稳定的界面。Ag/AgCl电极有一次性和可重复使用规格，并可制作成圆片、杯状、传感器或集成接触点。

界面处的氯化物平衡与稳定性相关。可重复使用的电极需要进行适当的清洁和检查，而一次性版本则针对单次记录会话或制造商指定的有限使用而设计。在任何一种情况下，一致的皮肤接触对于可靠的数据都是必需的。

黄金

金因其化学稳定性和耐腐蚀性而受到重视。当耐用性、易清洁性或长期物理稳定性很重要时，可以选择镀金或金合金电极表面。涂层厚度、基底材料、表面处理和接触设计都会影响电极在实际中的表现。

值得注意的是，如果接触不一致、电缆移动或周围环境引入干扰，金电极仍然可能产生不佳的数据。因此，最好将它的优势视为完整电极和记录系统设计的一部分。

主动EEG电极与被动电极材料

被动电极通过导线将测得的电位传输到位于系统其他位置的放大器。主动EEG电极将缓冲器或前置放大器放置在靠近电极的位置，这可以在信号通过导线传输之前减少电缆运动和某些形式干扰的影响。这种区别涉及的是电子设备和信号路径，而不单单是电极是由银、金还是其他导电材料制成。

以下对比区分了在描述电极系统时有时会被混淆的常见注意事项：

这种区别有助于避免过于简单的假设，即某种材料或电极类别具有普遍优越性。接口、电子设备、参考方案和记录协议共同决定了最终EEG信号的质量。

选择合适的EEG电极

电极的选择始于记录目标。简短的临床检查、高密度研究方案、移动研究和长时间监测会话可能会在准备时间、舒适度、稳定性和空间覆盖范围方面提出不同的要求。记录环境也很重要，尤其是当参与者移动或附近有其他设备运行阶段。

实用的选择过程会权衡多个实际变量，而不是只关注单一指标。这些考量通常包括：

• 会话期间所需的信号稳定性和可接受的阻抗

• 通道数和预期的放置密度

• 准备、清理、消毒和重复使用要求

• 参与者舒适度、头发覆盖范围、移动和会话持续时间

• 与放大器、帽子、连接器及周围设备的兼容性

标准化布局可以提高放置的重复性。例如，10-20放置系统使用解剖标志和比例测量来确定头皮位置。EEG脑电帽通过在预定义排列中固定多个电极，可以进一步简化重复放置，但脑电帽并不能代替检查接触质量或记录导联组合的工作。

最终的选择还受到数据解读的影响。电极位置、参考选择、采样设置和伪迹处理应与信号一起记录，以便结果保持可理解性和可比性。

头部EEG电极的常见部位

EEG电极放置在由解剖标志和比例距离确定的标准化头皮部位。常见标记包括额区、中央区、颞区、顶区、枕区和中线位置。字母和数字命名系统描述了相对于宽泛的大脑区域以及左右或中线布置的位置。

国际10-20框架仍然是许多临床和研究导联组合的基础。更密集的系统通过增加位置延伸了相同的逻辑；10-10电极放置系统增加了中间位置，以实现更高的空间采样。所选密度应与研究或临床问题相匹配，因为更多的电极不仅增加了空间覆盖范围，也增加了设置和管理的需求。

10‑20系统：解剖锚点与比例放置

10‑20系统是一个比例地图，校准到任何技术人员都能可靠触及的四个骨性标志。鼻根（鼻梁）、枕外隆突（颅骨后部的凸起）以及左、右耳前点（耳朵正前方的凹陷）作为基准参考。 

一条软尺沿着从鼻根到枕外隆突的矢状面，以及在两个耳前点之间的冠状面运行。然后按照总距离的10%和20%间隔标记电极位置。 

例如，标记为C4的位置不是由固定的毫米偏移量定义的，而是由头部周长的比例定义的。这种比例逻辑自动适应了头部大小和形状的变化，从而使得将儿童的EEG与成人的进行对比或在跨洲汇集数据成为可能。

旨在通过三维扫描定位电极的自动化方法证明了正确放置与这些解剖标志的紧密相关性。在一个通过278名受试者的400多次扫描进行验证的框架中，研究人员开发了一个两级系统，该系统首先识别耳前点，然后注册相对于这些锚点的电极位置。 

该工具实现了85.7%至91.0%范围内的正确电极定位精度。这种高度的解剖保真度对于随后的源定位至关重要，源定位是估算哪些大脑区域产生头皮信号的计算过程。 

如果没有比例骨架，电极的坐标就会漂浮在空无的空间中，从而破坏将活动溯源到其皮层源头的任何尝试。因此，10‑20系统将一组骨性突出转换为可重复的坐标系，而自动化流程依赖于这些相同的标志，证实了该网格不是理论上的便利，而是物理上的必需。

最佳电极密度：多并不总是更好

一种直觉认为，电极数量翻倍，记录的空间清晰度就会翻倍。拥有64、128甚至256通道的高密度阵列通常被视为最严谨的选择。然而，对大型队列的仔细经验性测试提供了一个更为微妙的画面。 

一项调查研究了需要多少个通道来跟踪连续语音的大脑神经编码——这是一项要求很高的听觉认知任务，并发现性能并不会简单地随着通道数量的增加而提升。在对每个人使用相同电极布局的受试者独立场景中，当阵列从64个通道减少到22个时，解码准确率保持稳定。即使在允许质量指标下降不超过10%的更严格标准下，32个位置合理的电极对于90名参与者中的91%来说也已足够。

在受试者特定的情况下，关系变得更加违背直觉，因为可以针对每个人选择电极。在这里，重建的大脑信号与实际刺激之间的最高相关性是通过大约20个电极实现的，而不是64个。 

事实上，使用最佳通道子集产生的相关性比使用完整未修剪阵列获得的相关性高出29%。这一提升可能反映了对引入伪迹多于信号的嘈杂或冗余通道的消除。 

值得注意的是，该发现并不是反对高密度记录，而是反对每个增加的电极都能增加价值的假设。关键是锚定到标准化布局的策略性通道选择。 

10‑20系统提供了比例骨架，但研究表明，该骨架上的有效密度不一定达到最大值。对于许多应用，在正确的比例坐标处放置适中数量的电极比在每个可用插槽中插入密集头盔能提供更干净、更易解读的数据。

导联和参考如何塑造记录的波形

每个EEG通道都代表差分放大器的输出，该电路将一个输入端的电压减去另一个输入端的电压。在两个输入端上完全相同出现的任何信号（电源线噪声、汗液伪迹或在两个记录部位同步的大脑活动）都会被抵消。 

因此，选择哪个电极作为参考（“负”输入端）成为测量中密不可分的一部分。更换参考会改变哪些大脑节律在相减后得以保留，哪些被默默丢弃。

这一原理引发了围绕参考导联与双极导联EEG导联组合的长期讨论。 

在参考导联排列中，每个主动电极都与放置在假设为中性部位（如耳垂或乳突）的公共参考进行比较。相反，双极导联组合将每个主动电极与附近的邻近电极相连。 

Fehmi & Collura的研究明确指出，差分放大器“必须消除记录电极所共有的（同步的）大脑活动元素。”因此，一对中两个电极之间的物理距离决定了将记录大脑皮层活动的哪些空间尺度。 

间距较近的双极对将很大程度上消除广泛的、同步的振荡，而带有遥远参考的参考导联衍生则会保留它们。对头皮生物电场的采样方式与导联组合及单个电极位置同样相关。

此外，一项受控的多中心多导睡眠监测临床试验说明了导联组合决定如何转化为具体的临床数据。评分人员使用美国睡眠医学学会推荐的三种参考EEG导联衍生（F4/M1、C4/M1、O2/M1）或遵循旧指南的单一中央导联衍生（C4/M1）来评估睡眠记录。 

其中，作者发现改用三导联衍生导联组合导致N1期睡眠平均减少9.6分钟，深N3期睡眠平均增加10.6分钟。这些系统性的转变可能会改变对睡眠结构的临床印象，然而同一项研究发现评分者间或评分者内的可靠性没有显著变化。换句话说，虽然导联组合选择微调了睡眠各期总和，但它并没有使评分过程本身变得更加不稳定。 

对于任何采集EEG数据的人来说，教训都很简单：参考和导联组合不是事后的附件，它们是记录本身的一部分。对相同的原始头皮电压应用不同的EEG导联组合会产生不同的结果，而这些选择的标准化是使不同实验室能够使用相同科学语言的基础。

验证放置：从比例到物理现实

即使技术人员一丝不苟地测量10‑20弧长，也有多种因素会使电极偏离其预期位置。脑电帽可能会移动，头发可能导致接触不均匀，解剖标志触诊的轻微不对称可能会使误差放大。因此，标准化定位必须包括一个验证步骤，以及一种检查物理电极是否真正处于比例网格所指定位置的方法。

前述展示了耳前点首要地位的自动定位框架也直接解决了这个验证问题。通过在电极就位时捕捉头部的3D图像，该算法记录每个电极的坐标，并将其与预期的10‑20位置进行比较。该方法在不需要MRI扫描的情况下识别耳前点，这使得在日常不提供放射影像学配合脑电图的资源有限的临床环境中使用该方法成为可能。 

该流程报告的正确电极定位精度在85.7%至91.0%范围内，并包括一个手动调整界面，以便技术人员可以直观地确认并微调任何分类错误的电极。如果没有这样的验证，被标记为“Cz”的记录实际上可能位于顶点前部或侧部一厘米处，从而引入系统偏差，降低源定位精度，并降低数据与规范数据库的可比性。因此，验证闭合了理想化的10‑20地图与活体、运动头部上的脑电帽物理现实之间的环路。

发际线外的放置：权衡与证据

头皮长有头发的区域带来了实际挑战。它们需要进行摩擦性皮肤准备和使用在长时间记录中可能会令人不适的导电凝胶，并且对于动态监测或必须在会话后保持体面外观的参与者来说尤为不便。这激发了人们对发际线外电极放置（通常在额头和耳后）的兴趣，在这些部位可以快速且舒适地贴上简单的一次性粘性电极。

一项样本量小但精心开展的研究探讨了此类放置是否可以在睡眠记录期间替代标准的头皮部位。六名健康志愿者每人在同时使用标准电极阵列和发际线外测试阵列的情况下睡了一晚。 

两位独立的评分人员对记录进行了评估。当六个常规睡眠分期保持独立时，标准放置和测试放置之间的观察者内一致性令人鼓舞：Cohen’s kappa达到0.86，该值通常被认为极佳。 

然而，同一篇摘要报告了一个引人注目的异常。当把清醒/1期和3/4期合并时，两种放置方案之间的kappa下降到0.09，该值通常表示近乎随机的一致性。 

这一差异在报告中没有进一步解释，引起了人们的警惕。由于只有六名受试者，该模式可能反映了异常值或合并阶段评分的特定局限性，而替代放置方案无法解决这一问题。 

作者得出结论，发际线外电极“可以有效使用”，并且对于许多应用研究来说，便利性的折中可能是合理的。然而，对于学习可靠EEG采集基础知识的学生来说，这一证据基础仍然薄弱。样本量小、缺乏复制以及奇特的kappa值意味着发际线外放置在所有信号特征上还不能一对一替代标准头皮部位。

可靠EEG的基础

可靠的EEG建立在一系列受控决策的基础上。它始于比例10‑20系统，该系统将每个电极与鼻根、枕外隆突和耳前点联系起来，确保在一个实验室进行的测量可以在另一个实验室复制。 

这里回顾的研究进一步增加了三点见解：

1. 第一，电极密度并不是线性增加的：在要求很高的语音跟踪任务中，32个精选通道足以满足91%的人群需求，并且在某些情况下，较少的通道比较多的通道产生更干净的信号。 

2. 第二，导联组合和参考不是中性通道；它们会消除某些大脑活动并保留其他活动，即使在评分可靠性保持完好的情况下，也会以具有临床意义的幅度改变睡眠分期汇总。 

3. 第三，必须使用将物理电极映射回预期解剖坐标的工具来验证放置，因为即使是仔细的定位也无法完全防止偏移。

对于任何进入该领域的人来说，最安全的途径是掌握标准化的比例框架，将电极密度和导联组合视为需要论证的变量，对照预期网格验证实际放置，并在面对替代记录部位时意识到它们尚不确定的证据地位。 

EEG电极技术的未来

未来的发展可能会集中在不牺牲信号质量的前提下，使EEG采集更加便携、可重复和舒适。更小的电子设备、改进的机械设计、柔性基板以及与头戴式系统更好的集成可能会减轻设置负担。这些发展与临床监测、研究、神经反馈和脑机接口研究相关，尽管每个应用有不同的验证要求。

自动化也可能改善电极放置和质量控制。系统可以协助识别解剖标志、检查接触状态、记录通道图，并在采集过程中标记不稳定信号。此类工具可以减少可避免的技术变异，但它们不能替代专业人员对EEG发现的解读，也不能免除评估伪迹和方案局限性的需要。

另一个方向是将EEG耳机与其他生理或成像测量相结合。组合系统可以提供互补的信息，但它们也带来了同步、运动、电气安全和数据管理方面的挑战。进步不仅取决于新的电极材料，还取决于透明的验证、标准化的元数据以及测量信号与临床结论之间的仔细分离。

为什么可靠的EEG不仅仅取决于优秀的设备

高规格放大器和先进的传感器材料是现代脑电图的基础，但仅靠高端硬件无法保证可靠的EEG采集。提供可操作、高保真的大脑数据取决于整个记录链——从解剖学精度、策略性传感器配置到严格的验证。

在临床和研究环境中获得可重复的结果需要采用整体方法：

• 标准化定位： 在比例10-20放置系统中建立电极设置可确保跨不同头型的映射一致性，并支持精确的源定位。

• 策略性传感器密度： 与最大化通道数量相比，选择最佳阵列（例如22到32个目标通道）通常可以通过消除冗余或易产生伪迹的通道来产生更高的信噪比。

• 上下文相关的导联选择： 参考和导联（参考导联 vs. 双极导联）的选择直接塑造了记录的波形，决定了保留或消除哪些神经振荡。

• 验证和信号质量： 使用自动化或3D验证工具确认物理传感器放置与解剖学目标一致，弥补了理想网格与现实世界头皮应用之间的差距。

归根结底，硬件质量的有效性取决于其背后的方法论。通过将适当的电极类型（无论是湿式、干式还是半干式）与标准化方案相结合，研究人员和临床医生为准确、无伪迹的EEG数据解读奠定了基础。

参考文献

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常见问题解答

什么是用于EEG电极放置的10-20系统？

10-20系统是一种标准化方法，它根据四个骨性标志（鼻根、枕外隆突和耳前点）使用比例距离。电极沿着这些标志之间测得的距离以10%和20%的间隔放置，自动适应不同的头部尺寸和形状。这创建了一个可重复的坐标系，使得EEG数据能够在不同的会话、实验室和个人之间进行对比。

使用更多的EEG电极总是能产生更好的数据吗？

不，更多的电极并不能自动提高信号质量。研究表明，在某些任务中，将通道从64个减少到22个并不会降低解码准确率，并且在特定受试者的情况下，通过消除嘈杂或冗余的通道，大约20个电极的最佳子集性能优于完整阵列。在标准化布局上进行策略性的通道选择比单纯追求最大电极数量更重要。

参考导联与双极导联EEG导联组合之间有什么区别？

在参考导联中，每个主动电极都与放置在耳垂等中性部位的公共参考进行比较，从而保留了广泛的同步大脑活动。在双极导联中，每个电极都与附近的邻近电极进行比较，这会消除两个部位共有的活动，从而有效地过滤掉大规模振荡。导联组合的选择决定了记录哪些空间尺度的大脑活动。

参考电极的选择如何影响EEG信号？

参考电极在差分放大器中作为相减输入，因此在主动部位和参考部位完全相同出现的任何活动都会从记录的信号中消除。更换参考电极会改变哪些大脑节律被保留或丢弃，这意味着记录的波形本质上是由参考选择塑造的。这就是为什么导联组合和参考被认为是记录本身的一部分，而不是事后调整的原因。

为什么在戴上脑电帽后验证电极放置很重要？

即使进行仔细的手动测量，脑电帽也可能会移动，头发会导致接触不均匀，并且可能会发生骨性标志触诊误差，使电极偏离其预期位置。使用3D成像和自动算法进行验证可以确认每个电极处于正确的比例坐标，这对于精确的源定位和跨会话可比性至关重要。如果没有验证，标记为“Cz”的电极实际上可能位于其他地方，从而引入系统误差。

EEG电极可以放置在发际线外而不损失数据质量吗？

在额头和耳后放置电极提供了便利性和舒适性，但其等同于标准头皮部位的证据有限。一项小型研究发现，对于独立的睡眠阶段，一致性极佳，但当合并某些阶段时，一致性近乎随机，突显了潜在的局限性。作者得出结论，它们“可以有效使用”，但由于样本量小且结果未被复制，它们最好被视为针对每个特定应用必须进行评估的折中方案。

获得可靠EEG信号的关键原则是什么？

可靠的EEG采集始于比例10-20系统，以确保一致的解剖定位。然后，应策略性地优化电极密度而不是盲目最大化，并且必须深思熟虑地选择导联组合/参考，因为它们塑造了记录的大脑活动。最后，应对照预期坐标验证物理电极的放置，以防止偏移并维持可比性。

10-20系统如何支持大脑活动的源定位？

10-20系统提供了一个锚定在骨性标志上的可重复的坐标框架，使每个电极的位置能够表示为头部尺寸的比例。这种比例映射确保了电极坐标具有物理意义，这对于估算产生头皮信号的大脑区域的计算源定位至关重要。如果没有这种标准化的骨架，电极位置将是任意的，也就无法将活动追踪回皮层源头。