微结构阵列电极概述

◎孙东姣 张馨雨 黄瑶 姚换旭 张腾

引言：现如今微结构阵列电极在各个领域都有十分不错的表现，而生物电是人体最基本的生理现象，通过检测生物电的特征可以对人体内部状况进行诊断。微结构阵列电极在生物电方面有着不一样的作用，生物医用电极作为生物电采集系统的关键元器件，很大程度决定了生物电的深入研究。因此，微结构阵列电极在脑电信号的研发具有重要的研究意义和市场价值。

一、发展历史

1924年，Jena大学的Hans Berger发现人脑电活动，并命名为EEG，十九世纪八十年代，英国外科医生卡顿通过电极记录了猴子脑内的电活动现象，这是人类历史上第一次记录脑电活动以此检测脑电工作情况，直到二十世纪发展到现在为止，德国医学家用针状电极记录了人类大脑的电流活动，将其记录方法命名为脑电图记录术，从此开启了脑电图的应用时代，而到了1930年左右，因为模拟电子技术的趋于成熟化，而基于电子管的技术的脑电采集系统开始应用。二十世纪五十年代时，脑电信号的研究又进入的新的境界，电子计算机技术得到应用，时间一直走到七十年代，得以重用的分别是共模技术和集成电路技术，这使得脑电系统的体积大大的削减，而如今已是走向了稳定。微结构阵列电极在脑电信号中的应用是随着发展而走向应用的新型的技术。

二、微结构阵列电极在脑电信号采集中的原理

脑电信号是脑神经细胞在大脑皮层电信号的反映，可以映射出人的身体状况及心理活动，对脑电信号进行监测可以诊断并预防精神性疾病、癫痫、脑肿瘤、病毒性脑炎等疾病。微结构阵列电极在脑电信号采集系统主要由4部分组成：微结构阵列电极、放大器、信号传输部分、电源。将微结构阵列电极置于被测者头皮上采集脑电信号，将采集到的脑电信号传输给放大器，放大器对脑电信号进行放大、滤波等处理，由信号传输部分进行A/D转换等处理，再进行后续处理。脑电信号采集导联方式分为单极导联和双极导联，单极导联将作用电极放置在被测者的头皮上，参考电极放在被测者的耳垂处，耳垂处的电位接近于零，作用电极的电位即脑电信号的大小；双极导联则将两个电极放置在被测者的头皮上，两个电极的电位差即脑电信号。

经过大量测试，要获取高质量的脑电信号，微结构阵电极大小在3 mm*3 mm、长度在170-200 μm之间、阻抗在0.65～16 kΩ之间较为合适。虽然目前利用微结构阵列电极采集脑电信号的研究已有很大进展，但仍存在一些问题需要深人研究：微结构阵列电极刺入大脑皮层的深度与力度的关系还需做大量实验进行验证；由于脑电信号非常微弱（大小在5～150 μV之间），所以电极与头皮之间的阻抗大小是直接影响采集质量的重要因素。微结构阵列电极脑电信号的采集不仅应用于临床上大脑疾病的诊断、监测，还将向脑机接口方向发展，用于辅助正常人通过大脑直接控制外部设备。

三、未来展望

微结构阵列电极在脑电信号采集中的应用该技术在国内外已经应用多年，早在20世纪70年代，国外便有学者运用该技术记录神经元细胞的电生理学变化。近年来随着微电级技术的发展，微结构阵列电极在神经科学基础研究中的应用不断取得发展。综上所述，微电极阵列技术迅速发展，制作材料也有半导体为主，逐渐发展高相容性生物材料，经过几十年的发展其成本几经有所降低，而其性能越来越强大，使其遍及在各个领域。例如电极控制、消费类电子等。