腦電接觸阻抗精確測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

文斌，葉繼倫, ，張旭,，袁懋結(jié)，劉杰

1 深圳大學 醫(yī)學院 生物醫(yī)學工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學信號檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

3 深圳市生物醫(yī)學重點實驗室，深圳市，518060

0 引言

近年來，腦電在腦機接口領(lǐng)域以及腦疾病診斷中有著廣泛的應(yīng)用。這些領(lǐng)域的應(yīng)用離不開可靠的腦電信號。在采集腦電信號時，如果遇到接觸電極的松動或脫落，那么采集到的腦電信號受干擾大，這影響信號的質(zhì)量及檢測的可靠性，若不及時處理，很有可能造成誤診等一些不良影響。在采集過程中，及時判斷出有沒有出現(xiàn)接觸電極松動及脫落狀態(tài)，給出報警很有必要。電極出現(xiàn)松動或脫落，電極與皮膚接觸阻抗也會相應(yīng)的變高。腦電電極-皮膚的接觸阻抗大小與腦電信號質(zhì)量好壞有著很大的關(guān)系。接觸阻抗越大，表示電極與皮膚接觸不好，采集的腦電信號質(zhì)量可靠低；接觸阻抗越小，表示電極與皮膚接觸良好，采集的腦電信號質(zhì)量可靠性高。因此，對腦電接觸阻抗的監(jiān)測在腦電信號采集中有著重要意義。

1 接觸阻抗檢測原理與方案設(shè)計

1.1 阻抗檢測原理

人體組成的基本單元是細胞，細胞主要由細胞內(nèi)液和細胞膜組成，細胞與細胞之間存在著大量的細胞外液和細胞間質(zhì)。在一定安全電流的刺激之下，生物組織和器官的電特性會呈現(xiàn)歐姆定律的變化規(guī)律，此方法具有無創(chuàng)、無害、實時和操作方便等優(yōu)點[1]。

根據(jù)ZHU等[2]提出的模擬理論，人體阻抗模型可以等效成圖1(a)。Ri表示電極與皮膚之間的接觸電阻，Rs表示皮膚電阻，Cin為皮膚與脂肪之間的電容，Cf、Rf表示脂肪中的阻抗和電容，Re表示細胞外液的阻抗，Cm、Rm表示細胞膜電容和細胞內(nèi)阻，Rb為骨骼電阻。在激勵信號頻率低于1 MHz時，細胞膜的導電性能較差，細胞內(nèi)液和細胞外液的介電特性弱。因此人體等效阻抗模型能夠進一步簡化為圖1(b)。根據(jù)頻散理論，激勵信號的頻率在10～100 kHz，激勵電流小于1 mA，人體組織會隨著刺激頻率的提高導電性能也隨著變好，并且人體內(nèi)部阻抗通常不到100 Ω，而人體的皮膚接觸電阻通常在5～50 kΩ[3]。相對于皮膚接觸阻抗，可以忽略不計人體內(nèi)部電阻對皮膚接觸電阻的影響。

圖1 人體阻抗等效圖Fig.1 The equivalent circuit model of body impedance

本文是將信號發(fā)生器芯片產(chǎn)生的頻率為50 kHz，電流為10 μA的方波作為激勵信號，使用模擬選擇開關(guān)循環(huán)將激勵信號注入測試電極；將反饋的信號進行濾波、放大、解調(diào)等處理，使用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換AD進行采樣；將AD采集到的值進行轉(zhuǎn)換，利用歐姆定律，計算接觸阻抗[4]。由于產(chǎn)生的激勵信號的電流會有一定的誤差，同時腦電電極-皮膚接觸阻抗會隨著時間的變化而變化[5]。為減小這些因素帶來的誤差，在系統(tǒng)中加入了高精度、低溫漂精密電阻進行定標，每隔5 min重新進行定標和阻抗測量，這樣能夠更精確地測量電極-皮膚接觸阻抗，能夠很好地保證采集到可靠的腦電信號。

1.2 系統(tǒng)整體方案

本接觸阻抗測量系統(tǒng)由高頻激勵模塊、反饋信號處理模塊、AD模塊、主控模塊、電源模塊等組成。系統(tǒng)的整體功能框圖如圖2所示。

圖2 接觸阻抗測量系統(tǒng)功能框圖Fig.2 The system of impedance detection acquisition system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 高頻激勵產(chǎn)生電路

本文中的高頻激勵信號使用美信MAX038芯片產(chǎn)生頻率為50 kHz，占空比為50%，幅值為±2 V的方波激勵信號。該芯片具有輸出信號頻率穩(wěn)定性好，波形分辨率高，失真度小，頻率和占空比可單獨調(diào)節(jié)等優(yōu)點。

2.2 恒流源產(chǎn)生電路

在生物組織電阻抗測量系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)的測量安全，電流一般不超過1 mA[6]。為提高輸出阻抗，如圖3所示，使用改進型HOWLAND電路將方波激勵信號轉(zhuǎn)變成10 μA，頻率為50 kHz的恒流源激勵信號。其中圖3中的5個電阻必須構(gòu)成一個平衡電橋即：

此時輸出電流Io只與電阻R5有關(guān)，即：

根據(jù)所需要的的恒流源激勵信號設(shè)置R3=R6=R7=1 MΩ，R4=900 kΩ，R5=100 kΩ。將產(chǎn)生的恒流源激勵信號通過模擬開關(guān)注入到需要測量阻抗的通道。

圖3 改進型Howland恒流源電路Fig.3 Improve Howland constant current source circuit

2.3 前級放大電路

正常連接情況下，電極與皮膚的接觸阻抗一般在5～50 kΩ之間，此時反饋回來的電壓信號在毫伏級，需要將反饋的信號進行放大。由于反饋回來的電壓信號幅值在100～500 mV之間，運放采用雙電源供電，防止放大倍數(shù)過大信號出現(xiàn)失真現(xiàn)象，如圖4所示，這里R8=10 kΩ，R9=70 kΩ，放大倍數(shù)為8倍。

圖4 前級放大電路Fig.4 The front amplifier circuit

2.4 解調(diào)和低通濾波電路

通過放大之后的信號幅值大約在1～4 V之間，信號頻率為50 kHz，為使得AD能夠正常采集信號，使用檢波二極管將信號進行解調(diào)，解調(diào)后的信號經(jīng)過一個低通濾波器，之后進入24位AD進行采樣。本文采用的是二階低通濾波器，截止頻率大約為40 Hz，電路如5所示。

圖5 解調(diào)和低通濾波電路Fig.5 Demodulation and low pass filter circuits

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在系統(tǒng)軟件配置方面，主要包括各模塊的硬件初始化以及定時中斷、串口、GPIO口等。使用定時器中斷進行AD采樣，讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，通過計算判斷實際阻抗值是否大于閾值。為保證采集到腦電信號的可靠性，阻抗閾值設(shè)置為50 kΩ。若所測接觸阻抗大于50 kΩ，系統(tǒng)報警提示阻抗過大，此時需要人工干預調(diào)整電極狀態(tài)，一直到阻抗通過測試為止。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow pattern

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試過程

在整個系統(tǒng)自檢完成之后，將進行阻抗測量。將50 kHz、10 μA恒流源激勵通過模擬開關(guān)電路，注入需要測試的電極。系統(tǒng)測試示意圖，如圖7所示。

其中A、B、C、D為測量腦電的四個電極，ZA、ZB、ZC、ZD分別為四個位置所對應(yīng)的阻抗，Io為注入測試通道的激勵電流，S1、S2為開關(guān)，S3為芯片內(nèi)部選擇開關(guān)，R1、R2分別為精度為0.05%，阻值為10 kΩ、30 kΩ的高精密、低溫漂定標電阻。

圖7 系統(tǒng)測試示意圖Fig.7 Schematic diagram of system test

當MCU控制芯片內(nèi)部連接S3連接到3時，此時將S1閉合，S2斷開，激勵電流通過電極A到電極B形成回路，將采集到的信號進行放大、解調(diào)、濾波處理之后進入24位高精度AD進行轉(zhuǎn)換，此時得到電壓U3和激勵電流IO關(guān)系：

同理，通過閉合S1，S2斷開，激勵電流通過MCU控制芯片內(nèi)部開關(guān)分別注入到5，6得到：

此時將S2閉合，S1斷開，激勵電流通過MCU控制芯片內(nèi)部開關(guān)分別注入到5，6，可得到：

由于產(chǎn)生的恒流源激勵信號是使用模擬電路產(chǎn)生的，電阻電容均有誤差，產(chǎn)生的恒流源精確度并不高，如果直接進行計算誤差將會很大，為解決此問題，電路中引入R1和R2用于定標計算。

當MCU控制芯片內(nèi)部開關(guān)S3連接到1時，此時得到電壓U1和激勵電流IO關(guān)系：

同理當內(nèi)部開關(guān)連接2時，存在：

由于IO恒定不變，則測量電阻與定標電阻存在關(guān)系為：

電極與皮膚的阻抗正常范圍在5～50 kΩ，本系統(tǒng)為保證能夠測量到正常范圍的阻抗，設(shè)計阻抗測量范圍是2～150 kΩ。當阻抗值在0～30 kΩ之間，使用R1進行定標計算；當阻抗值大于30 kΩ時，使用R2進行定標計算。這樣避免了模擬電路產(chǎn)生恒流源精確度不高和系統(tǒng)噪聲對阻抗測量精度的影響。為減小系統(tǒng)的誤差，按照此方法每隔5 min進行一次阻抗測試。

由于U1、U2、U3、U4、U5、U6由外部AD轉(zhuǎn)換得到，是已知的，R1、R2也是已知的?？梢酝ㄟ^聯(lián)立（3）～（10）方程組分別求出ZA，ZB，ZC，ZD。將計算得到的阻抗值與設(shè)置的閾值進行比較。如果小于50 kΩ，則表示此信號通道的電極-皮膚接觸阻抗通過測試，向上位機發(fā)送通過阻抗測試標志；反之，則表示電極-皮膚接觸阻抗測試不通過，向上位機發(fā)送未通過阻抗測試標志，系統(tǒng)進行報警提示阻抗過大，此時需要人工進行調(diào)整相應(yīng)的電極狀態(tài)，一直到阻抗通過測試為止。

4.2 測試結(jié)果

為了測試此系統(tǒng)的測量精度，使用了精度為0.1%阻值為2～150 kΩ之間的36個不同值的電阻，進行3次測量求平均值，測量數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)擬合曲線如圖8所示。表1顯示實測阻值與參考阻值的偏差，其中mean為實測阻值與參考阻值的平均偏差，SD是實測阻值與參考阻值的偏差的標準差。

圖8 數(shù)據(jù)擬合曲線圖Fig.8 The graph of data fitting

表1 測量阻值與參考阻值偏差Tab.1 The deviation between measured and actual resistance

由實測阻值和參考阻值中的平均誤差的絕對值為0.385 6 kΩ，標準差為0.624 5 kΩ，可以得出實測阻值與參考阻值的偏差很小。由數(shù)據(jù)擬合曲線圖可以看出，在2～50 kΩ時，實測阻抗值很接近參考阻值，數(shù)據(jù)擬合度很好；在50～100 kΩ時，雖然誤差有所增加，但是此時的數(shù)據(jù)擬合程度仍然較好；在100～150 kΩ時，由于電阻本身也有誤差，隨著阻值的增大，電阻的誤差也會相應(yīng)的增大，此時實測阻值與參考阻值偏差有所增加是正常的，導致數(shù)據(jù)擬合度相較于100 kΩ以下略有降低，但是仍然在誤差允許的范圍內(nèi)，不影響系統(tǒng)對于接觸電阻狀態(tài)的定量判別。

5 總結(jié)

本文基于生物電阻抗測量方法，設(shè)計出一種精確腦電電極-皮膚接觸系統(tǒng)。該系統(tǒng)大大地降低了由于使用模擬電路產(chǎn)生高頻激勵信號不精確和外界因素造成的誤差，提高了測量的精確性，可以實時、精確實現(xiàn)對腦電監(jiān)測過程中的電極接觸電阻監(jiān)測，從而評判電極的接觸狀態(tài)，以保證腦電信號采集的可靠性。上述系統(tǒng)可以直接應(yīng)用在多導聯(lián)腦電采集系統(tǒng)中，進行電極接觸電阻的監(jiān)測，具有極好的應(yīng)用價值，目前已經(jīng)應(yīng)用在所開發(fā)的4通道腦電監(jiān)測系統(tǒng)中，后續(xù)將繼續(xù)開發(fā)16/32通道的腦電檢測系統(tǒng)，為腦電診斷提供優(yōu)質(zhì)的檢測平臺。