学术研究报告：电极-皮肤接触阻抗在电生理信号记录中的研究
第一作者及单位
本研究的通讯作者为Liangtao Yang（中国科学院深圳先进技术研究院医学人工智能研究中心）和Yi Zhang（同单位），合作作者包括Lu Gan、Zhenggang Zhang（柏林洪堡大学化学研究所）、Zhilin Zhang、Hui Yang及Jinglong Wu。研究成果发表于ACS Omega期刊2022年4月14日第7卷，页码13906–13912。
学术背景与研究目标
本研究属于生物电信号检测与电极材料科学交叉领域。当前，干电极（dry electrode）因无需导电凝胶、使用便捷，被视为电生理信号（如EEG、EMG、ECG）采集的未来方向，但其信号质量常低于传统湿电极（wet electrode）和半干电极（semidry electrode）。这一差距主要源于对电极-皮肤界面阻抗（electrode-skin interface impedance）的基础认知不足。为此，作者团队通过电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy, EIS）结合等效电路拟合技术，系统比较了三类电极（湿电极、半干电极、干电极）的阻抗特性，探究了性能持续时间、电位和频率对阻抗的影响，旨在揭示干电极性能受限的机制，为优化设计提供理论依据。
实验流程与方法
实验对象与皮肤准备
- 研究对象：大鼠皮肤（活体，经酮胺镇静）和人类手臂皮肤（无创）。
- 样本处理：大鼠皮肤区域（约30 cm²）剃毛至0.8 mm，酒精清洁；人类手臂同样清洁处理。
- 电极类型：
- 干电极（直径10.0 mm，武汉Greentek公司）
- 半干电极（直径9.0 mm，同公司）
- 湿电极（直径7.5 mm，Neuroscan EEG）
阻抗测量系统
- 设备：CHI760E电化学工作站（三电极系统），湿电极作为对电极和参比电极。
- 参数设置：
- 电位实验：-0.1~0.2 V，频率20 Hz。
- 时间实验：120秒内监测阻抗变化（20 Hz）。
- 频率实验：0.1 Hz–10 kHz扫描。
- 数据分析：采用EIS Spectrum Analyzer软件（Bandarenka团队开发）进行等效电路拟合。
等效电路模型选择
- 湿电极和半干电极采用Thomasset模型（图6a），包含界面电阻（R1）和细胞内电阻（R2）。
- 干电极因额外电荷转移阻力，采用改进模型（图7b），新增电荷转移电阻（R2）和常相位元件（CPE）。
主要研究结果
阻抗与电位/时间的关系
- 三类电极在-0.1~0.2 V电位范围和120秒内阻抗均稳定（图2a、b）。
- 大鼠皮肤：干电极阻抗最高（>80 kΩ），湿电极最低（<800 Ω），半干电极居中（~1.5 kΩ）。
- 人类手臂：差异缩小，干电极阻抗仍最高（~50 kΩ），但半干电极表现最优（~20 kΩ）。
频率依赖性阻抗
- 低频段（ Hz）：干电极阻抗骤升（5个数量级），湿/半干电极升幅较小（图2c）。
- 高频段（>100 Hz）：所有电极阻抗下降，但干电极降幅最大（1.8个数量级 vs. 湿电极1.6）。
等效电路解析
- 干电极的电荷转移电阻（R2=27.6 kΩ）显著高于界面电阻（R1=40.4 kΩ），表明其信号损失主要源于电荷跨界面迁移障碍（图7c）。
- 湿/半干电极的R1相近（34.5 kΩ vs. 21.9 kΩ），但半干电极因胶状电解质（jellylike electrolyte）的粘附性更优，界面接触更稳定。
物种差异与毛发影响
- 大鼠皮肤因残留毛发导致干电极阻抗比人类手臂高1个数量级，证实接触面积是阻抗关键因素（毛发减少有效接触面积）。
研究结论与价值
科学意义
- 首次通过EIS技术量化了干电极的电荷转移电阻，揭示其信号质量差的根本原因。
- 提出等效电路模型差异：干电极需额外考虑电荷转移阻力，而湿/半干电极以界面电阻为主导。
应用价值
- 电极选择指导：毛发较多部位（如头皮EEG）宜用湿电极；无毛区域（如手臂EMG）可优先半干电极。
- 干电极优化方向：通过材料改性（如增加表面导电涂层）降低电荷转移阻力。
研究亮点
方法创新
- 结合EIS与物种对比（大鼠vs.人类），明确毛发对阻抗的影响机制。
- 开发适用于干电极的改进等效电路模型，填补理论空白。
关键发现
- 干电极在低频段（ Hz）阻抗剧增，提示其不适用于直流或近直流信号检测。
- 半干电极在人类皮肤表现最优，平衡了舒适性与信号质量。
其他有价值内容
作者指出，既往研究多基于多层皮肤模型（HOM），而本研究聚焦表皮单层模型（SOM），更贴合弱电流阻抗分析场景。此外，团队对比了三种经典等效电路（Thomasset、Kirkup、Lapicque），为后续研究提供了模型选择参考。
（全文约2000字）