基于腦電采集系統(tǒng)的阻抗檢測方法研究

葉繼倫，魏蘭蘭，王 凡，宋艷濤，張 旭

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

基于腦電采集系統(tǒng)的阻抗檢測方法研究

【作 者】葉繼倫1，魏蘭蘭1，王 凡1，宋艷濤1，張 旭2

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

在生物電信號測量中，電極阻抗檢測是評價提取信號質(zhì)量，傳感器電極接觸情況的一個重要指標(biāo)。該文基于腦電測量平臺，提出一種準(zhǔn)確檢測電極阻抗的方法，該方法基于恒流源激勵信號加入人體，通過監(jiān)測在人體端分壓值，來測量電極阻抗，并且在不同區(qū)間采用不同參考電阻進(jìn)行校準(zhǔn)計算，減少恒流源精度對測量結(jié)果的影響，提高測量準(zhǔn)確性。

電極阻抗檢測；恒流源激勵；校準(zhǔn)計算

0 引言

生物電阻抗檢測在生物電測量中有著廣泛的應(yīng)用，特別是腦電、心電、肌電等生物電信號采集系統(tǒng)中。在生物電采集系統(tǒng)測量中信號質(zhì)量的好壞很大程度取決于電極與病人的接觸阻抗。電極阻抗越大，表示電極與病人接觸不好，測量的可靠性越低。電極阻抗越小，表示電極與病人接觸越可靠，提取的信號質(zhì)量也越好。在腦電、心電系統(tǒng)中如果電極松動或者脫落，會很大程度影響信號的提取，因此對電極與病人接觸阻抗的監(jiān)測在腦電、心電測量中有著重要的意義。

生物電阻抗檢測技術(shù)是一種無損檢測技術(shù)，它的基本原理是通過檢測生物組織與器官的電特性（阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù)等）及其變化，從而提取出與人體生理、病理狀況有關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息，為臨床診斷與治療提供參考指標(biāo)[1]。通常采用的方法為伏安法，是將微小的交變電流（或電壓）信號通過置于體表的激勵電極注入被測對象，同時通過特定位置處的測量電極檢測出被測對象表面的電壓信號，根據(jù)歐姆定律，來計算人體阻抗。然而這種方法容易受到恒流源信號的精度和噪聲的干擾，而且要設(shè)計出高精度恒流源和減少系統(tǒng)噪聲干擾是比較困難的。

本阻抗檢測測量方法基于麻醉深度監(jiān)測的腦電研究平臺。阻抗檢測是腦電測量中一個重要組成部分，通過對阻抗的測量，來衡量腦電電極與病人接觸情況[2]。本方法在伏安法基礎(chǔ)上做改進(jìn)，加入?yún)⒖茧娮枳杩贡O(jiān)測進(jìn)行校準(zhǔn)，能夠很好地提高測量的精確性和準(zhǔn)確性，確保腦電電極阻抗監(jiān)測的準(zhǔn)確性，為腦電信號質(zhì)量評估提供一個好的保障[3]。

1 測量系統(tǒng)框架

本電極阻抗測量系統(tǒng)主要包括恒流源激勵產(chǎn)生模塊。恒流源激勵通常產(chǎn)生一個微弱電流，在這里我們采用1.6 μA，頻率200 HZ的恒流源激勵信號，通過測試電極激勵到病人[4]，反饋回來進(jìn)行實(shí)時電壓監(jiān)測。反饋回來的電壓是很微弱的，通常只有幾十到幾百mV。因此這里需要對反應(yīng)阻抗信息的電壓信號進(jìn)行放大濾波處理，然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊，得到數(shù)字信號，再經(jīng)過MCU處理計算出測量結(jié)果，發(fā)送到PC機(jī)上顯示。具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 阻抗檢測部分系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The system of impedance detection

2 測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

本阻抗測量系統(tǒng)主要包括激勵信號產(chǎn)生電路，恒流源產(chǎn)生電路，開關(guān)控制阻抗檢測通道電路，阻抗信號放大濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路和MCU部分，電路原理示意如圖2所示。

圖2 電路原理示意圖Fig.2 The circuit schematic

3 測量方法

3.1 測量過程

測量過程示意圖如圖3所示。

圖3 測量過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the measurement process

當(dāng)開關(guān)K0閉合，K1斷開時，通過MCU控制多項(xiàng)選擇開關(guān)的指向，當(dāng)開關(guān)選擇d0時恒流源激勵信號導(dǎo)入Z1電極 ，由公共電極Zc電極信號導(dǎo)出至接地。由于有電壓的實(shí)時監(jiān)測，將監(jiān)測電壓值進(jìn)行放大濾波電路之后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換。此時可以得到監(jiān)測電壓和監(jiān)測阻抗的關(guān)系如公式一所示：

其中Uz1為Z1和Zc的聯(lián)合阻抗對應(yīng)監(jiān)測的電壓值，I為恒流源激勵信號電流。

同理通過MCU控制多項(xiàng)開關(guān)選擇器分別導(dǎo)向的d1，d2，d3，可以得出：

當(dāng)開關(guān)K0斷開，K1閉合時，MCU控制多項(xiàng)選擇開關(guān)指向d1，可以得到：

這樣聯(lián)合方程(1)～(5)可以得到每個電極對應(yīng)的電極接觸阻抗Z1，Z2，Z3，Z4，Zc。因此，本測量方法只需MCU對多項(xiàng)選擇開關(guān)的控制就能實(shí)現(xiàn)對每個電極接觸阻抗的監(jiān)測[5]。

當(dāng)MCU控制多項(xiàng)選擇開關(guān)指向d4，d5時，這時可以得到監(jiān)測電壓：

我們利用Rref1, Rref2這兩個參考電阻來對電極阻抗值進(jìn)行校準(zhǔn)計算，這樣就很大程度上提高了本系統(tǒng)電極阻抗測量值得精度，減少了恒流源精度和系統(tǒng)噪聲等對測量結(jié)果的影響。下面將詳細(xì)介紹本系統(tǒng)采用的計算方法。

3.2 計算方法

為了減少恒流源信號的精度和不穩(wěn)定性的影響，在計算上引入?yún)⒖茧娮鑱磉M(jìn)行校準(zhǔn)。若待測阻抗Zx，對應(yīng)電壓監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行放大濾波后對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換值Sx，參考電阻對應(yīng)采樣值S1，則有：

這樣只需要通過監(jiān)測電壓對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，就可以很簡單得出檢測阻抗值。由于本系統(tǒng)要求電極阻抗檢測范圍為(0～100) k?，我們在(0～50) k?和(50～100) k?選用不同校準(zhǔn)電阻來進(jìn)行參考計算。這樣解決了檢測阻抗值對激勵信號源精度和誤差帶來的影響，提高了檢測阻抗計算的準(zhǔn)確性[6]。

3.3 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本測量方法的準(zhǔn)確性，將兩電極接入不同阻值的電阻進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。分別加入2.2 k?、4.7 k?，9 k?、15 k?、20 k?、27 k?、49 k?、68 k?和100 k?電阻進(jìn)行阻抗檢測。檢測阻抗值（由于本系統(tǒng)電極間外圍電阻有4.6 k?，檢測阻抗值為電極間阻抗值和外圍電阻值的總和）和實(shí)際計算阻抗值結(jié)果如圖4擬合結(jié)果所示。

A Method for lmpedance Measurements Based on EEG Acquisition System

【 Writers 】Ye Jilun1, Wei Lanlan1, Wang Fan1, Song Yantao1, Zhang Xu2
1 Institute of Biomedical Engineering, School of Medicine, Shenzhen University, Shenzhen, 518060
2 Guangdong Key Laboratory of Biomedical Signal Detection and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

【 Abstract 】In the bioelectric measurement, the electrode impedance detection is an important index to the signal quality evaluation and sensor electrode contact condition. In this paper, a method of accurately measuring the electrode impedance based on EEG measurement system was put forward, the method is based on the constant current source excitation signals which are added to the human body, by monitoring the human voltage to measure the electrode impedance. And different reference resistor calibration calculation in different sections was used to reduce the effect of constant current source on the precision of measurement results to improve the measurement accuracy.

electrode impedance measurement, constant current source excitation, calibrate calculation

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.04.002

2014-02-12

深圳市科創(chuàng)委項(xiàng)目（SW201110039，SDSY20120612094855904）

葉繼倫，E-mail: yejilun@126.com

張旭，E-mail: zhangxu729@hotmail.com

1671-7104(2014)04-0240-02