基于可拆卸柔性梳状海绵电极的高集成脑机接口防护头盔研发

doi:10.3969/j.issn.0258-8021.2026.04.006

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摘要针对脑机接口(BCI)与防护头盔融合中面临的电极便携替换、硬件小型抗干扰、信号稳定传输及佩戴舒适性等核心难题,本研究提出可拆卸柔性梳状海绵电极与高集成放大器一体化的解决方案。电极采用弹性海绵-柔性硅胶基材、柔性金属丝及梳状分布式布局的设计,在保证信号采集质量的同时有效提升了佩戴舒适度。放大器采用高集成度器件与精简电路拓扑,体积缩小至6.6 cm×5.2 cm×1.2 cm,共模抑制比超过110 dB,系统续航达29.3 h,数据丢包率为0.1%~0.2%。经10名受试者的佩戴舒适性评价与佩戴准备时间测试,平均佩戴准备时间为(2.28±0.48)min,体现出良好的易用性与适用性;基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的无人机控制实验验证,10名受试者的平均控制准确率可达90.88%±2.61%。所设计系统运行稳定可靠,为BCI与防护装备的深度融合提供了有效的技术路径。

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关键词 ：脑机接口, 可拆卸柔性梳状海绵电极, 高集成高性能放大器

Abstract：Aiming to solve core problems faced in the integration of brain-computer interface (BCI) and protective helmets, such as portable electrode replacement, small hardware anti-interference, stable signal transmission and wearing comfort, this paper proposed an innovative solution of "integration of detachable flexible comb-shaped sponge electrodes and highly integrated amplifiers". The electrode used an elastic sponge-flexible silicone substrate, flexible metal wires, and a comb-shaped distributed layout, improving comfort while ensuring signal quality. The amplifier, with high-integration components and a simplified circuit, achieved a volume of 6.6 cm×5.2 cm×1.2 cm, a common-mode rejection ratio exceeding 110 dB, a system battery life of 29.3 hours, and a 0.1%~0.2% packet loss rate. Wearing comfort evaluation and preparation time tests on 10 subjects showed an average preparation time of (2.28±0.48)minutes, demonstrating good usability and applicability. The unmanned aerial vehicle (UAV) control experiment based on steady-state visual evoked potential (SSVEP) verified that the average control accuracy for the 10 subjects reached 90.88%±2.61%. The system was able to operate stably and reliably, providing an effective technical path for the deep integration of BCI and protective equipment.

Key words： brain-computer interface detachable flexible comb-shaped sponge electrode high-integration high-performance amplifier

收稿日期: 2025-12-20

PACS:

R318

基金资助:国家重点研发计划(2023YFF1203701)

通讯作者: ^*许敏鹏,讲席教授,博导,天津大学医工院副院长,未来技术学院脑机接口本科专业建设负责人,长江学者,国家优青,国家重点研发计划首席科学家。2022《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区入选者,2022“强国青年科学家”称号获得者,“2023脑科学与类脑智能科创新青年30人”入选者,2025镁伽科学家奖唯一获得者,首届中国脑机接口“华瑙学者奖”杰出青年奖获得者,2026全国脑机接口十大杰出青年科学家入选者。E-mail: xmp52637@tju.edu.cn

作者简介: ^#中国生物医学工程学会会员

引用本文:

袁学智, 李辉, 唐琪, 陈洁, 王坤, 肖晓琳, 许敏鹏, 范燨, 白茹, 王俊磊. 基于可拆卸柔性梳状海绵电极的高集成脑机接口防护头盔研发[J]. 中国生物医学工程学报, 2026, 45(4): 457-468.
Yuan Xuezhi, Li Hui, Tang Qi, Chen Jie, Wang Kun, Xiao Xiaolin, Xu Minpeng, Fan Yi, Bai Ru, Wang Junlei. Development of a Highly Integrated Brain-Computer Interface Protective Helmet Based onDetachable Flexible Comb-Shaped Sponge Electrodes. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 2026, 45(4): 457-468.

链接本文:

http://cjbme.csbme.org/CN/10.3969/j.issn.0258-8021.2026.04.006 或 http://cjbme.csbme.org/CN/Y2026/V45/I4/457

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