脑电信号是大脑皮层或者头皮表面记录到的大脑皮层神经元群突触后电位总和。高端有源医疗装备展根据相关资料了解到，它包含大量的生理信息和病理信息，是一种非常典型的生物电信号。为了探索人体大脑奥秘，在大脑和外部环境之间建立起一种直接的通讯交流渠道成为非常必要的手段，这就是如今广为研究的“脑-机接口”(Brain-Computer Interface, BCI)。通过对脑机接口的脑电认知研究，我们可以了解神经细胞电活动与人们心理活动、生理活动之间的联系，这在临床医学领域具有重大意义。

脑电信号的分类

根据信号的频率和振幅可将脑电信号分为五种脑电波：α波、β 波、θ波、δ波和γ 波。它们的基本特征如下：

α波：频率范围处于 8Hz~13Hz 之间，振幅范围处于 20μv~100μv 之间，α波可在大脑的枕叶和顶叶区检测到，当人在清醒、安静或者闭眼时，α波容易被检测到，波形程菱状图形，波幅从小到大，再从大变小有规律的变化。

β 波：频率范围处于 20Hz~30Hz 之间，振幅范围处于 5μv~20μv 之间。β波可在额部和颞部检测到，它是一种快波， 在人大脑思维活跃的时候出现。

θ波：频率范围处于 4Hz~7Hz 之间，振幅范围处于 10μv~50μv 之间。θ波的检测与人的精神有关，θ波在人精神困倦或者抑郁时候出现。

δ波：频率范围处于 1Hz~3.5Hz 之间，振幅范围处于 20μv~200μv 之间。δ波的检测跟人所处的状态有关，它在人处于睡眠状态或昏迷状态以及缺氧时候出现。

γ 波：频率范围处于 30Hz~60Hz 之间，振幅很小。γ波可在额区和前中央区检测到。

脑电波容易因人的生理状况影响而产生变化，单独某种脑电波的多少也因人体生理状况而表现不同。因此脑电图的记录可作为检查人大脑功能或者生理状况是否正常的一种重要手段。例如，抑郁患者的脑电图可以观察到明显的θ波。这些波形的检测对患者疾病的治疗有着重要意义。

图片来源：Medtec China

脑电采集系统的组成

脑电采集系统分为硬件和软件两个部分，硬件部分由脑电电极、预处理电路、A/D 转换模块、单片机控制模块、通信模块部分构成；软件部分主要是上位机程序，负责数据接收、命令下发、数据处理、数据存储和波形显示。本文主要介绍硬件部分。整体系统组成示意图如下图所示：

图片来源：Medtec China

脑电电极

脑电电极是用来传递或记录脑部电势分布及变化的传感器。电极类型总的来说主要分为湿电极、干电极和半干式电极这三类。

1 – 脑电湿电极

湿电极为脑电采集的传统电极类型，一般采用银/氯化银（Ag-AgCl ）做电极材料。进行脑电信号采集时，为了降低电极与头皮之间的阻抗，需在电极与头皮间涂抹液态或糊状的导电介质( 导电膏或导电液),导电膏中的氯、钾、钠等离子扩散进入人体皮肤的角质层，降低了电极与皮肤之间的接触阻抗。因其阻抗低、稳定、信噪比高和信号可靠的优势，湿电极成为临床和科研脑电测量的主要选择和标准。

图片来源：Medtec China—导电膏电极

湿电极的优点:

• 允许进行高密度脑电图记录

• 较高的信号质量

• 比干电极和半干电极更不容易受电源干扰和运动伪影的影响

• 支持长时间稳定记录

湿电极的缺点:

• 测试前需要对头皮进行去角质处理，时间成本和操作复杂度高

• 对参与者来说舒适性较低，头发需要清洁

• 在长时间采集的应用场景下需要反复加注导电膏，耗时较繁琐

• 需专业人员操作，无法满足日常脑电监测需求

适用领域：从采集信号的高信噪比来看，湿电极是脑电电极的“黄金标准”，被广泛应用于科研、认知和临床等研究领域。

2 – 脑电干电极

为了解决使用导电膏等带来的佩戴繁琐、难以长时间检测等问题，干电极在90年代首次被发明出来。

干电极由惰性导电材料组成，该材料与皮肤机械耦合以进行信号转导，由于不需要涂抹导电膏等，具有使用方便、使用者感觉舒适、易于便携式脑电设备的应用等显著优势。但由于干电极不使用导电凝胶或导电膏，因此干电极比湿电极的电极阻抗更高。

干电极根据是否与头皮接触可分为接触式干电极和非接触式干电极; 接触式干电极根据形状不同又可以分为微针电极、指状电极、混合电极等。

接触式干电极是干电极主要的研究方向。接触式干电极依据使用在人体的不同部位的特征，可以分为有发区域（头部）和无发区域（皮肤）。无发区域的干电极主要采集脑电多是放置在前额区域。与表皮信号采集相比，头皮脑电信号的采集面临更多困难，采集时需要解决头发造成的阻碍。头皮脑电研究主要通过电极的材料、外形结构的设计，使得其能够穿过头发稳定采集信号。

干电极的优点：

• 比湿电极的设置时间更快

• 不需要皮肤准备

• 适用于家庭测试

• （几乎）不需要清理

在某些情况下，无需经过培训即可使用

图片来源：Medtec China