面向脑机接口的柔性MEMS电容干电极技术基础研究

通过脑机接口能直接认知和理解大脑意识，可帮助瘫痪患者及交流障碍者恢复运动和交流功能。但目前的脑机接口主要基于湿电极技术，传统的湿电极易干而不能长时间检测脑电信号。基于MEMS的干电极技术可用于长时间检测脑电，是有效解决方案之一。本项目提出一种面向脑机接口的柔性MEMS电容干电极技术。针对干技术目前研究存到的主要问题，重点研究采用柔性电容脑电极解决目前刚性电极与头部曲面不匹配的问题，研究柔性电容电极采集脑电的规律和特性；分析基于MEMS三维微结构对提高柔性干电极采集性能的影响，并探讨在MEMS三维微结构表面进行纳米改性以进一步提高电容电极的比表面积；研究有头发区域电容电极的采集特性，分析电极与头皮接触与非接触状态对采集效果的影响；并对电容电极阻抗转换电路的抗干扰方法进行研究。为研究下一代便携式脑机接口和实现瘫痪患者及交流障碍者的运动和交流功能恢复打基础。

高质量的脑电信号是脑机接口技术的基础。目前，采集脑电信号主要用传统的银氯化银湿电极，这类电极需要配合导电胶一起使用，虽然湿电极采集信号的质量好，但由于导电胶容易变干而导致采集信号的质量下降，因此湿电极不能用于长时间的记录脑电信号。因此，需要开发柔性干电极来代替湿电极。本项目研究采用等效电路方法建立了柔性干电极记录脑电信号的理论模型，分析了干电极采集脑电时噪声的来源，为干电极的设计提供了理论依据。本项目中研制了5种干电极：接触柔性干电极，非接触式干电极，干粘接干电极，导电聚合物干电极，微针干电极。相对刚性电极，柔性电极有利于增大电极和皮肤的有效接触面积，从而减小接触阻抗，有利于记录到高质量的脑电信号；研制了干电极的阻抗转换电路，分析了柔性干电极因其结构形状和尺寸、电介质特性等对采集脑电信号的影响，并对电极进行优化设计，应用所研制的电容干电极、相应的电路及无线模块构成了脑电记录系统。全面完成本项目的研究内容和研究目标。本项目执行期内发表论文10篇，申请专利9项，授权专利8项，培养研究生2名。