柔性耳周腦電采集概述

柔性耳周腦電采集系統（cEEGrid）是一種基于柔性印刷電極技術的新型腦電采集方案，旨在解決傳統腦電圖（EEG）設備笨重、可見性強、佩戴不適、難以在自然環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，即在日常環境中無感、持續地監測大腦活動。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。其優勢在于高隱蔽性（可完全隱藏在發際線后）、良好的佩戴舒適度（多數用戶反饋幾乎無感）、穩定的長期信號質量（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）。該系統適用于日常環境下的腦機接口（BCI）、社交互動研究、兒科腦電圖、癲癇長期監測、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療設備提供了新的可能性。

HUIYING

柔性耳周腦電采集系統設計關鍵

系統由三部分組成：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）。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。系統整體輕便，可放入口袋，適用于戶外和日常環境。設計中特別強調了信號穩定性與抗干擾能力：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，維持阻抗穩定；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系統的音頻延遲問題。

HUIYING

柔性耳周腦電采集電極設計關鍵

cEEGrid電極系統的設計是實現隱蔽、舒適、長期穩定采集的核心，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。基材為生物相容性的聚酰亞胺，確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，有助于區分局部腦電活動與噪聲。電極被特意布置在發際線上下（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圖

圖1為系統核心硬件圖示。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形結構如何環繞耳廓，以及電極在發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、佩戴方式和基本信號特征。

HUIYING

臨床研究

研究方法：

參與者：10名健康成人。

系統：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：

阻抗監測：評估電極-皮膚接觸的長期穩定性。

頻譜分析：對比睜/閉眼狀態下的腦電功率差異。

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，以檢驗信號穩定性。

研究結果：

阻抗穩定性：平均阻抗約16.5kΩ，早晚無顯著變化（p=0.89）。

靜息態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，紅線代表閉眼狀態。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，證明了其記錄穩態腦電信號的有效性。

圖3：靜息態EEG睜閉眼差異的統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定性。將圖2的定性觀察轉化為定量、統計的空間分布結論，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，靶刺激誘發的P300波形（紅色）在早晚兩個會話中形態、幅值和潛伏期高度一致。直觀證明了cEEGrid系統記錄瞬態腦電事件（ERP）的能力，并初步顯示了P300成分跨時間的穩定性，為后續定量分析奠定基礎。

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，熱點區域（L1-L3， R1-R3）即為P300的最大效應區。圖5B（重測信度）：顯示了早晚會話間P300差異波的相關性，深色區域表示高重測信度（r > 0.74），直接量化了信號的時間穩定性。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，揭示了系統在實際應用中可以簡化優化的潛力。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，且模型穩定、系統可簡化。

HUIYING

總結

cEEGrid系統成功實現了隱蔽、舒適、長期穩定的耳周腦電采集，在自然環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測、神經反饋、腦機接口及臨床長期監護提供了可行的技術路徑。未來可通過優化電極材料（如使用水凝膠）、個性化設計、提升系統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。