脑电图（EEG）由于其非侵入性的特点，在临床医学和脑机接口（BCI）中 得到了广泛的研究。其中，用于提取脑电信号的脑电传感器是神经反馈和脑机接 口的关键元件。但是，目前市面常见的商用干电极和湿电极仍然存在一定缺陷， 例如干电极的高接触阻抗以及爪式形式伴随的痛感、湿电极过于复杂的准备和清 洗过程，这些问题的存在极大地限制了 BCI 系统的推广普及。

      2022 年，半导体所裴为华研究团队及其合作者开发了一种预置式的水凝胶 （PreG）电极，相关研究成果发表于神经科学领域 TOP 期刊 IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering（2022, 30, 834）。PreG 电极与 传统湿式电极相比，优点是佩戴方便快捷，使用后无需清洁头发和电极，舒适性 好。在佩戴 EEG 头带之前，水凝胶电极是被提前放置在 Ag/AgCl 电极之上，而 不是在佩戴头带后进行耗时的导电膏注射。这种 PreG 电极的阻抗可以降低到 50 kΩ 甚至更低。与湿电极为对照组进行的 BCI 应用实验结果表明，在基于稳态视 觉诱发电位（SSVEP）的 40 目标打字系统中，使用 PreG 电极和湿电极的分类精 度和信息传输率（ITR）没有显著差异。这款水凝胶电极目前已经实现规模化的 生产与商业化销售应用，配套使用的脑电头带和脑电帽均已开发完成。
      这种水凝胶电极组分和生产工艺简单。水凝胶主要由以下成分组成：卡拉胶、 保水剂、导电盐和去离子水。该工艺主要包括以下步骤：首先，将原料按比例称 量，将保水剂加入卡拉胶中，充分搅拌混合均匀，得到混合物 A；其次，将 NaCl 导电盐加入去离子水中，加热至搅拌溶解，得到混合物 B；第三，将混合物 A 加 入混合物 B 中，加热搅拌混合均匀，得到液态水凝胶材料；最后，将水凝胶材料 倒入模具中。冷却后，得到大批量制备的柔性弹性水凝胶锥体。

     如图 1(a)所示，PreG 电极主要由两部分组成：第一部分 Ag/AgCl 电极和第 二部分水凝胶电极。3D 打印碗状外壳和盖子主要是用于封装水凝胶电极和 Ag/AgCl 电极，其中，烧结的 Ag/AgCl 电极灌封在盖子上。电极盖子和外壳可以 重复打开和拧紧以更换水凝胶电极，制作的水凝胶电极和 PreG 电极如图 1(b)所 示。通过在外壳周围预留了一个额外的环形槽，可以将 PreG 电极轻易地安装在 EEG 头带上，如图 1(c)所示。

     尽管 PreG 电极的平均阻抗高于湿电极，但是其最高阻抗不超过 100kΩ，如 图 2(a)中十名受试者的 PreG 电极和湿电极的平均阻抗所示。此外，PreG 电极的 阻抗在一定时间内呈下降趋势，说明 PreG 电极润湿头发和头皮的时间比湿电极 长。此外，长发或浓密的头发比短发需要更多的时间来润湿。因此，最好在放置 PreG 电极之前将头发拨开，以降低阻抗和缩短稳定期。阻抗随时间的进一步变 化表明，PreG 电极可以保持低阻抗至少 4 小时，满足基本的 BCI 应用场景，如图 2(b)。

     与硬质干电极相比，水凝胶电极具有良好的弹性和柔韧特性，赋予了被试更 舒适的佩戴感觉。如图 3(a)所示，左侧水凝胶电极处于 1N 压力下，中间是重复 按压（1N，6s 按压，6s 松弛）30 次后的水凝胶电极，与右侧的原始水凝胶电极 相比，没有观察到明显的变形。图 3(c)和图 3(d)展示了猪皮和水凝胶电极在 0.25N 的力下 2 小时后的变形。尽管干电极和水凝胶电极都会在猪皮上留下压痕，然而 得益于水凝胶电极的柔韧性，当它被压在猪皮上时会发生形变增大接触面积，从 而有效降低电极受压给头皮带来的压力强度。

     为了进一步表征 PreG 电极的脑电信号提取性能，研究者还对比了 PreG 电 极和湿电极在图 4 展示的基于 40 个目标刺激接口的 SSVEP 的 BCI 系统中的表 现。

     SSVEP 的实验结果表明 PreG 电极和湿电极的平均分类正确率和 ITR 趋势 相同，两个电极之间的平均分类正确率 (p = 0.0744) 和 ITR (p = 0.066) 没有显 着差异。

     通过对受试的问卷调查表明：尽管 90%的受试者认为湿电极比 PreG 电极更 舒适， 但是 70%的受试者认为 PreG 电极也很舒适。在综合考虑舒适性和便利性 的情况下，80%的受试者倾向于选择 PreG 电极，因为 PreG 电极在头发上基本没 有残留，问卷结果如图 7 所示。