近年来,基于脑电的脑-机接口(brain-computer interfaces, BCIs)和可穿戴设备应用引起全球广泛的研究和投资兴趣,实时生理监测、神经反馈康复训练、神经营销等脑电新应用正蓄势待发。随着微电子和信号处理技术不断突破,但使用方便、性能可靠的脑电电极仍是脑电技术走向广泛应用的关键挑战。现有脑电电极主要分为两类：湿电极和无胶电极。而无胶电极可细分为干电极和半干电极。湿电极是临床和科研的“金标准”,但不方便、不舒适问题严重限制了其在真实场景应用。干电极具有无胶、装配快速、清洁等优点,但是电极-皮肤阻抗低且不稳定,信号质量往往较差。现有半干电极相对干电极展示了一定的优势,但靠压力驱动电解质释放,容易造成电解质释放不可控,从而引起信号不稳定。本文为克服现有技术存在缺陷,发展了一种使用友好、性能可靠的新型多孔陶瓷的半干电极。具体内容如下：第二章发展了一种新型被动式多孔陶瓷半干电极,并对电极性能进行了系统评价。在多孔陶瓷柱的毛细作用下,半干电极能穿透头发,并持续可控释放微量的3.5%NaCl溶液释,以建立稳定的电极-皮肤界面。半干电极/头皮阻抗低且稳定(22.2±8.5 kΩ,n=10),9个不同电极位置间的阻抗差异小于5 kΩ。半干电极表现出非极化电极特性,极差电位为579μV(n=8)。半干电极具有长期稳定性,8h内阻抗仅增加10 kΩ。此外,通过9导湿电极与半干电极组成的头带,在10名被试的头部同时记录两种电极EEG信号。睁-闭眼和稳态视觉诱发电位(SSVEP)范式的平均时域相关系数分别为0.938±0.037和0.937±0.027。此外半干电极具有快速安装,独自使用和清洁等优点,非常适合真实场景的脑电应用,如脑-机接口和可穿戴设备。第三章主要通过同时记录湿电极、半干电极对在5个经典脑-机接口范式的信号验证半干电极在脑-机接口应用的可行性。所有20名被试的9个电极位置的时域总平均相关系数为0.95±0.07,互相关性在整个实验过程非常稳定。半干电极/湿电极的频谱相干性在整个频带大于0.80,除50 Hz因工频噪声出现下降外,10 Hz以上频段的相干性则大于0.9。更重要的是,两种电极分类准确率相当。这些试验结果表明,半干电极可以有效地捕获的神经电生理响应,能够替代传统湿电极应用于脑-机接口领域。第四章系统研究了三种典型脑电电极(湿电极、干电极、半干电极)的电极-皮肤阻抗特性,包括阻抗大小和阻抗稳定性。系统调查了不同电极类型、个体皮肤、皮肤位置、压力、皮肤磨砂以及接触面积对电极-皮肤阻抗的影响。所有电极-皮肤阻抗均按前臂、头皮、前额的顺序依次降低。6名被试干电极、半干电极、湿电极阻抗分别为57.5-540.0 kΩ、10.3-38.4kΩ和1.4-2.8kΩ,它们的面积归一化阻抗分别为58.50±64.16kΩ·cm2、1.1±0.6kΩ·cm2和1.1±0.3 kΩ·cm2(n= 6)。10min内,半干电极阻抗变化很小(1.2±0.9 kΩ),湿电极甚至可以忽略(0.1±0.1 kΩ),干电极阻抗变化却相当大(31.2±31.3 kΩ)(n=5)。由此可见,干电极的阻抗显著高且不稳定。更糟糕的是,6名被试阻抗差异很大(57.5-540.0kΩ)。因此,干电极难以获得满意的脑电信号。然而在压力和皮肤磨砂条件,干电极阻抗均出现明显的下降。相应地,在压力和皮肤磨砂条件下,干电极出现了明显alpha节律。这些研究发现为新型无胶电极的发展提供了新思路。第五章通过等效电路拟合方法,系统分析正常条件下三种典型电极(湿电极、半干电极、干电极)以及压力、皮肤磨砂条件下半干电极和干电极的阻抗谱。三种电极的面积归一化阻抗大小顺序为干电极>半干电极>湿电极,其阻抗的差异性主要来源于界面接触阻抗(Res)和皮肤阻抗(Rs、CPEes-T)。Res、Rs按干电极、半干电极、湿电极顺序减小,而CPEs-T则依次增大。此外,由于干电极与皮肤接触不稳定,电极与皮肤之间可能存在空气间隙,引入一个并联接触电容(CPEes)。压力和皮肤磨砂条件,两种电极的面积归一化阻抗都出现了大幅下降,但干电极更为显著。压力和皮肤磨砂对拟合参数的影响比较类似,均会引起皮肤阻抗下降(表现为Rs下降和CPEs-T上升)以及界面接触阻抗降低(表现为Res降低,对于干电极CPEes-T也会上升)。有意思的是,无论是压力还是皮肤磨砂,两种电极面积归一化阻抗差异主要来源界面接触电阻Res和皮肤电阻Rs。系统研究电极-皮肤阻抗谱,有望为无胶电极发展提供理论支撑。