2025年12月，北京邮电大学脑认知与智能医学中心与清华大学材料学院合作，在国际知名期刊《npj Flexible Electronics》（中科院大类一区，IF=15.5）上发表了题为“Cholinium-based eutectogel electrode for high-quality dynamic EEG/ECG monitoring exceeding 48 hours”的研究论文。该研究聚焦于生物电信号监测领域的技术瓶颈，开发了一种创新的低共熔凝胶（ChCl-egel）电极，能够实现超过48小时的高质量动态心电图（ECG）监测，以及18小时的稳态视觉诱发电位（SSVEP）脑电（EEG）记录。这一成果为长期动态生物电信号采集提供了全新的解决方案，并在临床与产业化应用方面具有重要价值。未来，通过结合深度学习技术，该电极能够为脑机交互（BCI）系统提供更精确的数据支持，有望推动智能医疗和健康监测的发展。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41528-025-00494-5
北京邮电大学人工智能学院徐光远研究员、物理科学与技术学院黄凯教授与清华大学材料学院伍晖教授为文章共同通讯作者，北京邮电大学人工智能学院博士研究生王伟光为第一作者。
研究背景：生物电信号，特别是脑电图（EEG）和心电图（ECG），是健康评估和疾病诊断的重要依据，广泛应用于癫痫、心律失常的识别以及脑机交互（BCI）系统等领域。然而，现有生物电电极技术面临一个长期的挑战——在“高质量信号采集”和“长期稳定监测”之间难以兼顾。目前的商用电极中，干电极虽然便捷，但皮肤接触阻抗极高，导致信号质量差；湿电极虽然能够提供低阻抗，但佩戴不适、凝胶干涸等问题依然困扰着长期监测的需求。此外，人体运动和汗液等因素会改变皮肤阻抗，进而影响电极的贴合性和信号质量，造成动态场景下信号失真。
近年来，深度学习在EEG和ECG信号的处理和分析中展现了巨大潜力，尤其是在脑机交互（BCI）应用中。通过卷积神经网络（CNN）等深度学习算法和大模型，可以对复杂的生物电信号进行精准分类、特征提取及实时识别，从而提高信号的准确性和稳定性。因此，开发一种兼具低阻抗、柔性和长期稳定性的电极，将为深度学习在生物电信号监测中的应用提供有力支持。
电极设计：氯化胆碱（ChCl）作为常见的氢键受体，其经济性、无毒性和生物可降解性已广泛认可。甘油作为氢键供体，不仅具有出色的保湿性能，还能够与氯化胆碱形成低共熔溶剂（DESs），构建复杂的氢键网络，从而调节导电性和黏度。为了提升电极的柔韧性与生物相容性，本文选用了明胶作为外部交联网络材料，借助其热可逆相变特性，可以确保电极在室温下保持良好的凝胶态，避免长期使用中的液化现象。这些低共熔溶剂（DESs）和明胶的结合，不仅提升了电极的导电性和柔韧性，还通过非共价相互作用增强了电极的物理交联性。基于这种电极采集的EEG和ECG信号有望通过与深度学习模型的结合，进行高效的实时分析与分类，为BCI技术提供了精准的信号支持。
图1：胆碱基低共熔凝胶（ChCl-egel）的制备及其在生物电信号采集中的应用示意图
该凝胶呈现透明多孔结构，在可见光范围内透光率接近100%，便于长期佩戴时观察皮肤状态；其相变温度约45℃，高于人体皮肤温度，可避免使用中液化；在常温环境下5天保水率达93%，为长效监测奠定了基础。
图2：ChCl-egel电极表征
电学和力学特性：为了实现长期稳定的电生理信号采集，电极与皮肤之间的接触阻抗必须维持在低水平，同时确保接触界面的稳定性。ChCl-egel电极在0.1~100,000 Hz频率范围内展现出低于6 kΩ的阻抗，显著低于传统电极，具备良好的信号采集能力。此外，ChCl-egel在抗疲劳测试中的表现也十分突出，经过多轮应力循环，电极几乎未出现性能衰退，表现出优异的弹性。该电极能够在运动、汗液等因素影响下，保持稳定的信号质量，为动态生理信号的长时间监测提供了可靠保障。
图3：ChCl-egel的电学和力学特性
心电性能：ChCl-egel电极在ECG信号的长时间监测中表现出极佳的稳定性。实验中，电极采集的ECG信号在48小时内未出现明显变化，P波、QRS波群和T波均清晰可辨。相较于传统的商用电极，ChCl-egel的信噪比高达47.8 dB，能够提供更高质量的信号采集，且不会干扰日常活动。结合深度学习模型进行实时信号分析，能够更精确地检测心率变化和心电异常，支持动态心率监测和健康预警。
图4：日常活动中的连续动态心电图（ECG）监测
脑电性能：稳态视觉诱发电位（SSVEP）是EEG实验的重要范式，通过采用特定频率闪烁的视觉刺激，SSVEP能够在信号采集中实现更高的识别准确率与信息传输率。在18小时脑电监测期间，ChCl-egel电极能够维持低阻抗，确保长时间内稳定采集脑电信号。而商用凝胶电极，其会随时间逐渐干涸，导致阻抗不断升高，难以满足长期监测的需求。本文总结了ChCl-egel、商用湿电极及商用3M电极在接触阻抗、成本、拉伸性、长期稳定性、信噪比等制备与性能参数上的综合对比。与已报道的电极相比，ChCl-egel同时实现了超低阻抗与长期记录的特性。这些结果表明，该电极具备显著的性能优势，是日常场景下实现高质量动态生理信号采集的理想平台。
图5：高保真脑电图（EEG）记录与稳态视觉诱发电位（SSVEP）分类
研究结论：本文设计了一种新型的ChCl-egel电极，能够在10Hz频率下实现低至4.7 kΩ的皮肤阻抗和5.3 kΩ的头皮阻抗，适用于长期、高质量的生理电信号监测。该电极能够在48小时以上的ECG监测中，信噪比提升8 dB，支持高强度运动下的动态心率监测。在EEG监测中，ChCl-egel电极的性能可媲美商用湿电极，且记录时长显著增加。未来通过结合深度学习技术，进一步提升了生理电信号的分类与分析能力，为脑机交互和智能健康监测提供了坚实的技术基础。
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