DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-47459-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42000827
تاريخ النشر: 2026-04-18
المؤلف: Zahra Razaghi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخطيط الدماغ وواجهات الدماغ-الكمبيوتر
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير هندسة الأقطاب الكهربائية على أداء تخطيط الدماغ الكهربائي (EEG) باستخدام أقطاب كهربائية جافة مصنوعة من الذهب على شكل دبابيس نانوية. تسلط الدراسة الضوء على أن هذه الأقطاب تظهر موصلية في الطور 0.9 مS، مع مقاومة فعالة تبلغ حوالي 1.1 كΩ، ومقاومة جلدية مخفضة تبلغ حوالي 300 كΩ عند 100 هرتز، مما يشير إلى خصائص واجهة ملائمة.
تظهر تقييمات الأداء من خلال إمكانيات الاستجابة البصرية المستقرة (SSVEP) ونماذج تعديل ألفا أن الأقطاب الكهربائية الجافة تحقق نسبة إشارة إلى ضوضاء تبلغ 1.27 ديسيبل، وهو ما يقارن بـ 1.30 ديسيبل التي لوحظت مع الأقطاب الكهربائية الرطبة القياسية Ag/AgCl. بالإضافة إلى ذلك، أسفر تحليل تعديل ألفا عن نسبة ألفا تبلغ 2.43 وحدة. مقابل 1.83 وحدة للأقطاب الكهربائية الرطبة. نجح مصنف الغابة العشوائية في التمييز بين حالات العين المفتوحة والمغلقة، مما يؤكد دقة الإشارات التي تم التقاطها بواسطة الأقطاب الكهربائية الجافة. تشير النتائج إلى أن تصميم الأقطاب الكهربائية المقترح يوفر حلاً قابلاً للتوسع وفعالاً من حيث التكلفة مع استقرار طويل الأمد لتطبيقات EEG.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية تخطيط الدماغ الكهربائي (EEG) كطريقة غير جراحية وقابلة للنقل لتسجيل النشاط الكهربائي للدماغ من فروة الرأس. تسلط الضوء على الدقة الزمنية الاستثنائية لـ EEG، التي تسمح بالتتبع الدقيق لأحداث إشارات الدماغ بدقة مللي ثانية، مما يسهل المراقبة في الوقت الحقيقي للديناميات العصبية. ومع ذلك، تشير المقدمة أيضًا إلى القيود الكامنة في الدقة المكانية بسبب ضرورة عبور الإشارات لعدة طبقات بيولوجية، بما في ذلك السائل الدماغي الشوكي، والجمجمة، وفروة الرأس، قبل أن يتم اكتشافها بواسطة الأقطاب الكهربائية.
على الرغم من هذه التحديات، لا يزال EEG أداة أساسية في كل من علم الأعصاب والإعدادات السريرية بسبب طبيعته غير الجراحية، وتكلفته المعقولة، وقدرته على التقاط تذبذبات الدماغ ذات السعة المنخفضة (التي تتراوح عادة من 10 إلى 100 ميكروفولت). تضع المقدمة الأساس لمزيد من استكشاف قدرات EEG وتطبيقاته، مع التأكيد على دوره الحاسم في تعزيز فهمنا لوظيفة الدماغ.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون لاصق إيبوكسي موصل فضي، وبالتحديد منتج 8331D من MG Chemicals، المعروف بموصلية الكهربائية وخصائص الربط القوية عبر مختلف الركائز. تم تفصيل خصائص اللاصق، بما في ذلك طبيعته اللزجة وجودته غير المتدلية، في الجدول 3 من الورقة.
شمل البروتوكول التجريبي مواضيع جالسة على بعد حوالي 60 سم من شاشة LCD في بيئة خاضعة للرقابة، خالية من المشتتات. خلال الجلسات، تم تثبيت الأقطاب الكهربائية على شعر المواضيع، وتم عرض رسالة ترحيب تحثهم على بدء المهمة بالضغط على مفتاح المسافة. كانت مهمة فتح/إغلاق العين تتكون من فترات متناوبة مدتها دقيقة واحدة لإغلاق العين وفتحها، مع عرض صليب تثبيت للتركيز قبل كل فترة. بالإضافة إلى ذلك، في مهمة الاستجابة البصرية المستقرة (SSVEP)، ظهر صليب تثبيت بعد الضغط على الزر لتوجيه انتباه المواضيع. تم هيكلة المهام لتشمل إشارات سمعية، مع تنبيهات تشير إلى بداية فترات معينة، كما هو موضح في الشكل 5A.
نتائج
في هذه الدراسة، بحثنا في عشرة أشكال هندسية متميزة للأقطاب الكهربائية EEG مدعومة بركائز مختلفة، بما في ذلك القماش (FAB) والشعيرات. تم طلاء جميع الأقطاب الكهربائية بهياكل نانوية من الذهب (Au) لتعزيز فعاليتها في الحصول على إشارات الدماغ. بدأت عملية التصنيع بتطبيق طلاء لاصق إيبوكسي موصل فضي لضمان موصلية عالية، تلاها تقنية ترسيب بخار المرحلة التي وضعت طبقة بسمك 100 نانومتر من Au. لم يحسن هذا الطلاء فقط من متانة وملاءمة الأقطاب الكهربائية، بل أيضًا من أداءها.
كشفت التوصيفات الكهربائية التي أجريت باستخدام مقياس RLC عن مقاومة تبلغ حوالي $1.95 \, \Omega$ عند تردد 100 هرتز، مما يشير إلى ملاءمة الأقطاب الكهربائية لتطبيقاتها المقصودة. تم إجراء قياسات لاحقة للخصائص الكهربائية للأقطاب الكهربائية المصنعة، الموضوعة على المنطقة الجبهية من الجلد، في تكوين قطبين بجانب قطب كهربائي قياسي رطب للصدر. توفر هذه النتائج تقييمًا شاملاً لأداء الأقطاب الكهربائية وإمكاناتها في الحصول الفعال على إشارات الدماغ.
مناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على التحديات والتقدم في تصميم أقطاب EEG الكهربائية، وخاصة المقارنة بين الأقطاب الكهربائية الرطبة التقليدية وهندسات الأقطاب الكهربائية الجافة المبتكرة. الأقطاب الكهربائية الرطبة، على الرغم من فعاليتها، غالبًا ما تكون غير مريحة وغير عملية للاستخدام على المدى الطويل بسبب اعتمادها على الجل الموصل، الذي يمكن أن يسبب تهيج الجلد ويعقد الإعداد. من ناحية أخرى، تواجه الأقطاب الكهربائية الجافة مشكلات كبيرة تتعلق بمقاومة الجلد-القطب، التي يمكن أن تتجاوز 100 كΩ، مما يؤدي إلى جودة إشارة ضعيفة وزيادة في آثار الحركة. تقيم الدراسة بشكل منهجي عشرة أشكال هندسية مختلفة للأقطاب الكهربائية مصنوعة من مركب نانوي من الذهب والفضة، وتقيّم أدائها في التقاط إشارات EEG خلال مهام مختلفة، بما في ذلك اختبار تعديل ألفا.
تشير النتائج إلى أن هندسة القطب الكهربائي على شكل دبوس تفوقت على غيرها من حيث جودة الإشارة، خاصة في المناطق الشعرية من فروة الرأس، بينما قدم القطب الكهربائي المرن من القماش اتصالًا مستقرًا في المناطق الخالية من الشعر. تستخدم الدراسة إطار تقييم متعدد المعايير، مستفيدة من مقاييس مثل نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، وتعديل ألفا، والتماسك لتصنيف تصميمات الأقطاب الكهربائية بشكل موضوعي. حققت هندسة الدبوس أعلى الدرجات، مما يدل على قدرتها على الحفاظ على مقاومة منخفضة وإشارات موثوقة، متجاوزة حتى الأقطاب الكهربائية الرطبة التقليدية في بعض التطبيقات. تسلط هذه الأبحاث الضوء على الحاجة إلى نهج تقييم موحد في تصميم الأقطاب الكهربائية، مما يمهد الطريق لتحسين تقنيات تسجيل EEG التي تعزز راحة المستخدم وموثوقية الإشارة في الإعدادات السريرية والبحثية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-47459-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42000827
Publication Date: 2026-04-18
Author(s): Zahra Razaghi et al.
Primary Topic: EEG and Brain-Computer Interfaces
Overview
The research investigates the impact of electrode geometry on the performance of electroencephalography (EEG) using nanostructured pin-shaped gold-based dry electrodes. The study highlights that these electrodes exhibit an in-phase conductance of 0.9 mS, with an effective resistance of approximately 1.1 kΩ, and a reduced electrode-skin impedance of about 300 kΩ at 100 Hz, indicating favorable interface characteristics.
Performance evaluations through steady-state visually evoked potential (SSVEP) and alpha modulation paradigms demonstrate that the dry electrodes achieve a signal-to-noise ratio of 1.27 dB, which is comparable to the 1.30 dB observed with standard wet Ag/AgCl electrodes. Additionally, the alpha modulation analysis yielded an alpha-ratio of 2.43 a.u. for the dry electrodes versus 1.83 a.u. for the wet electrodes. A random forest classifier successfully distinguished between eyes-open and eyes-closed states, confirming the high fidelity of the signals captured by the dry electrodes. The findings suggest that the proposed electrode design offers a scalable, cost-effective solution with long-term stability for EEG applications.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of electroencephalography (EEG) as a non-invasive and portable method for recording electrical brain activity from the scalp. It highlights EEG’s exceptional temporal resolution, which allows for the precise tracking of brain signal events with millisecond accuracy, thereby facilitating real-time observation of neural dynamics. However, the introduction also notes the inherent limitations in spatial resolution due to the necessity for signals to traverse multiple biological layers, including cerebrospinal fluid, skull, and scalp, before being detected by electrodes.
Despite these challenges, EEG remains an essential tool in both neuroscience and clinical settings due to its non-invasive nature, affordability, and ability to capture low-amplitude brain oscillations (typically ranging from 10 to 100 µV). The introduction sets the stage for further exploration of EEG’s capabilities and applications, emphasizing its critical role in advancing our understanding of brain function.
Methods
In this study, the researchers utilized a Silver conductive Epoxy adhesive, specifically the 8331D product from MG Chemicals, known for its electrical conductivity and strong bonding properties across various substrates. The adhesive’s characteristics, including its thixotropic nature and non-sagging quality, are detailed in Table 3 of the paper.
The experimental protocol involved subjects seated approximately 60 cm from an LCD screen in a controlled environment, free from distractions. During the sessions, electrodes were affixed to the subjects’ hair, and a welcome message prompted them to initiate the task by pressing the spacebar. The eye open/close task consisted of alternating intervals of one minute for eye closure and opening, with a fixation cross displayed for focus before each interval. Additionally, in the steady-state visual evoked potential (SSVEP) task, a fixation cross appeared following the button press to guide the subjects’ attention. The tasks were structured to include auditory cues, with beeps marking the beginning of specific intervals, as illustrated in Figure 5A.
Results
In this study, we investigated ten distinct EEG electrode geometries supported by various substrates, including Fabric (FAB) and Bristle. All electrodes were coated with gold (Au) nanostructures to enhance their efficacy in acquiring brain signals. The fabrication process began with the application of silver conductive epoxy adhesive paint to ensure high conductivity, followed by a vapor phase sputtering technique that deposited a 100 nm thick layer of Au. This coating not only improved the durability and biocompatibility of the electrodes but also optimized their performance.
Electrical characterization conducted using an RLC meter revealed a resistance of approximately $1.95 \, \Omega$ at a frequency of 100 Hz, indicating the electrodes’ suitability for their intended applications. Subsequent measurements of the electrical properties of the manufactured electrodes, positioned on the frontal region of the skin, were performed in a two-electrode configuration alongside a standard wet chest lead electrode. These findings provide a comprehensive assessment of the electrodes’ performance and potential for effective brain signal acquisition.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the challenges and advancements in EEG electrode design, particularly the comparison between traditional wet electrodes and innovative dry electrode geometries. Wet electrodes, while effective, are often uncomfortable and impractical for long-term use due to their reliance on conductive gels, which can cause skin irritation and complicate setup. Conversely, dry electrodes face significant issues related to skin-electrode impedance, which can exceed 100 kΩ, leading to poor signal quality and increased motion artifacts. The study systematically evaluates ten different electrode geometries fabricated from an Ag-gold nanocomposite, assessing their performance in capturing EEG signals during various tasks, including an alpha modulation test.
The findings indicate that the pin-shaped electrode geometry outperformed others in terms of signal quality, particularly in hairy regions of the scalp, while the flexible fabric electrode provided stable contact in hair-free areas. The study employs a multi-metric evaluation framework, utilizing metrics such as signal-to-noise ratio (SNR), alpha modulation, and coherence to objectively rank the electrode designs. The pin geometry achieved the highest scores, demonstrating its ability to maintain low impedance and reliable signals, even surpassing traditional wet electrodes in certain applications. This research highlights the need for a standardized evaluation approach in electrode design, paving the way for improved EEG recording technologies that enhance user comfort and signal fidelity in clinical and research settings.