柔性耳周腦電采集概述

柔性耳周腦電采集系統(tǒng)（cEEGrid）是一種基于柔性印刷電極技術的新型腦電采集方案，旨在解決傳統(tǒng)腦電圖（EEG）設備笨重、可見性強、佩戴不適、難以在自然環(huán)境下長期使用的局限性。該技術靈感來源于對“自然認知”和“主動感知”研究的需求，即在日常環(huán)境中無感、持續(xù)地監(jiān)測大腦活動。cEEGrid 由10個Ag/AgCl印刷電極排列成C形，貼合耳周佩戴，通過智能手機進行信號采集與刺激呈現，實現了隱蔽、舒適、便攜的腦電記錄。其優(yōu)勢在于高隱蔽性（可完全隱藏在發(fā)際線后）、良好的佩戴舒適度（多數用戶反饋幾乎無感）、穩(wěn)定的長期信號質量（阻抗在7–8小時內無顯著變化），以及強大的時空信息捕捉能力（可清晰記錄α波差異與P300等事件相關電位）。該系統(tǒng)適用于日常環(huán)境下的腦機接口（BCI）、社交互動研究、兒科腦電圖、癲癇長期監(jiān)測、睡眠研究及助聽器集成等場景，為移動神經科學和可穿戴醫(yī)療設備提供了新的可能性。

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柔性耳周腦電采集系統(tǒng)設計關鍵

系統(tǒng)由三部分組成：柔性cEEGrid電極陣列、SMARTING 24通道移動EEG放大器、以及智能手機（Android系統(tǒng)）。放大器通過藍牙將信號無線傳輸至手機，手機同時負責聽覺刺激呈現（使用OpenSesame軟件）與數據記錄。系統(tǒng)整體輕便，可放入口袋，適用于戶外和日常環(huán)境。設計中特別強調了信號穩(wěn)定性與抗干擾能力：放大器內置3D陀螺儀，支持運動中記錄；電極采用“密封式”設計，減少電解液蒸發(fā)，維持阻抗穩(wěn)定；信號采集過程中使用觸摸屏事件標記與離線時間校正，以應對Android系統(tǒng)的音頻延遲問題。

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柔性耳周腦電采集電極設計關鍵

cEEGrid電極系統(tǒng)的設計是實現隱蔽、舒適、長期穩(wěn)定采集的核心，其關鍵要素如下：

材料與結構：

電極采用多層柔性印刷電路板技術制造?；臑樯锵嗳菪缘木埘啺罚_保佩戴安全與柔韌性。導電部分由三層構成：鍍金的端點用于與放大器插頭連接，純銅走線負責信號傳輸，而與皮膚接觸的傳感點則使用基于銀/氯化銀（Ag/AgCl）的聚合物厚膜墨水印刷而成。這種Ag/AgCl材料是生物電測量的標準選擇，有助于形成穩(wěn)定的半電池電位，減少極化效應和運動偽跡。

通道數與采集位點：

每個cEEGrid陣列集成了10個電極，以C形排列環(huán)繞耳廓。電極中心直徑為3毫米，相鄰電極中心距為12或18毫米，這種間距在有限的耳周空間內提供了適中的空間采樣密度，有助于區(qū)分局部腦電活動與噪聲。電極被特意布置在發(fā)際線上下（如圖1B所示），以實現最大程度的隱蔽。

左右耳陣列的對稱性與差異：

左右耳的cEEGrid在物理形狀和電極數量上是對稱的，均為10電極C形陣列。然而，在電路連接和功能定義上并非一模一樣。在硬件連接中，右耳陣列中間位置的兩個特定電極被分別指定為參考電極和地電極。這種設計是為了在放大器端建立一個穩(wěn)定的電學參考點。

圖1：cEEGrid 柔性電極陣列設計、佩戴示意圖與電極細節(jié)圖

圖1為系統(tǒng)核心硬件圖示。圖1A子圖：展示了左右耳cEEGrid記錄的原始靜息態(tài)EEG信號片段，并用白色電極標示了硬件參考與地電極的位置，以及離線重參考后使用的虛擬乳突參考點（白色帶黑圈），直觀呈現了信號的基本形態(tài)與參考策略。圖1B子圖：為cEEGrid佩戴在右耳的實物照片，清晰顯示了其C形結構如何環(huán)繞耳廓，以及電極在發(fā)際線上下分布的隱蔽性。圖1C子圖：電極與走線的微距視圖，標明了導電點直徑（3mm）及Ag/AgCl印刷材料。圖1定義了整個研究的硬件基礎，說明了設備的物理形態(tài)、佩戴方式和基本信號特征。

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臨床研究

研究方法：

參與者：10名健康成人。

系統(tǒng)：cEEGrid耳周電極陣列 + SMARTING移動放大器 + 智能手機（用于刺激呈現與數據采集）。

范式：

靜息態(tài)EEG：記錄交替睜眼/閉眼時的腦電。

聽覺Oddball任務：參與者默數隨機呈現的高音靶刺激（20%概率）。

流程：早晨佩戴設備并完成首次測試；隨后參與者自由日常活動6-7小時；下午再次連接設備完成第二次測試。

核心分析：

阻抗監(jiān)測：評估電極-皮膚接觸的長期穩(wěn)定性。

頻譜分析：對比睜/閉眼狀態(tài)下的腦電功率差異。

事件相關電位分析：提取并分析靶刺激誘發(fā)的P300成分。

單試次分類：使用早晨數據訓練的線性分類器，直接對下午未見數據進行分類，以檢驗信號穩(wěn)定性。

研究結果：

阻抗穩(wěn)定性：平均阻抗約16.5kΩ，早晚無顯著變化（p=0.89）。

靜息態(tài)EEG：閉眼時α頻段（8–12Hz）功率顯著高于睜眼條件（圖2、圖3），符合經典EEG特征。

圖2：基于cEEGrid記錄的靜息態(tài)EEG頻譜對比圖（早晨 vs.下午）

圖2左右兩幅頻譜圖分別對應早晨和下午的測試結果。每幅圖以2D側視圖布局顯示了所有16個通道的功率譜，其中藍線代表睜眼狀態(tài)，紅線代表閉眼狀態(tài)。可以清晰看到，在閉眼條件下，幾乎所有通道在8-12 Hz（α頻段）都出現了一個顯著的功率峰值（紅色凸起），而睜眼時該峰值消失或減弱。視覺化驗證了cEEGrid系統(tǒng)能夠可靠地捕捉到最經典的腦電生理現象——閉眼α波增強，證明了其記錄穩(wěn)態(tài)腦電信號的有效性。

圖3：靜息態(tài)EEG睜閉眼差異的統(tǒng)計參數空間分布熱圖

熱圖3將數據分析結果進行空間（16通道）和頻域（5個頻段）的可視化。圖3A：以顏色編碼展示了所有通道在各頻段上閉眼與睜眼的功率差值（dB）。可明顯看出，顯著的差異（暖色）主要集中在α頻段（8-12 Hz）的多個通道。圖3B,C：分別對應早晨和下午的統(tǒng)計顯著性結果（經Bonferroni校正），黑色方格表示該通道在該頻段差異顯著。這表明α頻段的顯著性在多個通道上具有時間穩(wěn)定性。將圖2的定性觀察轉化為定量、統(tǒng)計的空間分布結論，嚴謹地證明了cEEGrid所測α波效應的顯著性和可重復性。

事件相關電位：靶音誘發(fā)出明顯的N100與P300成分，P300振幅顯著大于標準音（p<0.001），且早晚會話間表現出高重測信度（r>0.74）（圖4、圖5）。

圖4：聽覺Oddball任務事件相關電位波形圖（早晨 vs. 下午）

圖4分別展示了早晨和下午會話中，靶刺激與標準刺激所誘發(fā)的ERP波形（16通道疊加）。圖中可清晰識別出約100ms的N1成分和約400ms的P300成分。關鍵的是，靶刺激誘發(fā)的P300波形（紅色）在早晚兩個會話中形態(tài)、幅值和潛伏期高度一致。直觀證明了cEEGrid系統(tǒng)記錄瞬態(tài)腦電事件（ERP）的能力，并初步顯示了P300成分跨時間的穩(wěn)定性，為后續(xù)定量分析奠定基礎。

圖5：ERP條件效應綜合分析熱圖（振幅差異、重測信度與效應量）

圖5是ERP分析的核心量化結果綜合展示。圖5A（振幅差異）：展示了靶刺激與標準刺激ERP在300-500ms時間窗內振幅差異的空間-時間分布，熱點區(qū)域（L1-L3， R1-R3）即為P300的最大效應區(qū)。圖5B（重測信度）：顯示了早晚會話間P300差異波的相關性，深色區(qū)域表示高重測信度（r > 0.74），直接量化了信號的時間穩(wěn)定性。圖5C（效應量）：以Cohen‘s d值顯示了條件效應的強度，在相同區(qū)域效應量極大（d > 0.9），證明了所記錄效應的生理顯著性。圖5多維度、定量化地證實了cEEGrid所記錄P300的高質量、高穩(wěn)定性與高可靠性。

單試次分類：使用早晨數據訓練的LDA分類器在下午數據上仍保持>70%的準確率，且通道數減少至3個時性能依然穩(wěn)健（圖6）。

圖6：單試次腦電分類性能與通道選擇分析圖

圖6A：柱狀圖顯示，使用早晨數據訓練的分類器，在早晨（交叉驗證）和下午（獨立測試）數據上均取得約70%的準確率，且無統(tǒng)計學差異，實證了基于cEEGrid特征的分類模型具備跨時段泛化能力。圖6B：折線圖展示了隨著通道數逐次減少（從16到1），分類準確率的變化。群體平均性能平緩下降，而個別被試（彩色線）在通道數較少時仍保持高性能，揭示了系統(tǒng)在實際應用中可以簡化優(yōu)化的潛力。圖6從腦機接口應用角度驗證了cEEGrid信號的實用價值，證明了其信號不僅可用于平均分析，也適用于單試次解碼，且模型穩(wěn)定、系統(tǒng)可簡化。

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總結

cEEGrid系統(tǒng)成功實現了隱蔽、舒適、長期穩(wěn)定的耳周腦電采集，在自然環(huán)境下仍能捕捉到具有高時空分辨率的腦電特征（如α波、P300）。該系統(tǒng)結合柔性印刷電極、微型放大器和智能手機，極大提升了EEG的便攜性、隱蔽性與用戶接受度，為日常生活中的腦功能監(jiān)測、神經反饋、腦機接口及臨床長期監(jiān)護提供了可行的技術路徑。未來可通過優(yōu)化電極材料（如使用水凝膠）、個性化設計、提升系統(tǒng)實時性等方式進一步推動其在移動健康與神經工程中的應用。