高職教學(xué)中EEG系統(tǒng)前級(jí)緩沖電路的分析教學(xué)思考

李力嘉 毛政凱

摘? ? 要：腦電信號(hào)采集的前級(jí)緩沖電路在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中不是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，但是確實(shí)分析實(shí)際復(fù)雜電路的一個(gè)切入點(diǎn)和引導(dǎo)學(xué)生如何將理論知識(shí)和實(shí)際問(wèn)題想聯(lián)系的一個(gè)很好入門(mén)的橋梁。本文將對(duì)這一電路按照引導(dǎo)學(xué)生掌握電路拓?fù)浼皡?shù)選擇的原因的思路進(jìn)行分析，以提供一種教學(xué)過(guò)程的參考。

關(guān)鍵字：等效電路;濕電極;極化電壓;阻抗

一、引言

體表腦電圖通過(guò)電極與頭皮接觸采集腦電信號(hào)，在此過(guò)程中，皮膚和電極之間會(huì)產(chǎn)生極化電壓，該電壓可以用一個(gè)復(fù)阻抗和一個(gè)直流電壓源進(jìn)行等效，如圖1所示。通過(guò)該等效電路可以計(jì)算出各個(gè)不同電極連接形式的阻抗，如圖2所示。

可見(jiàn)，在滿足用戶舒適度的同時(shí)，需要犧牲信號(hào)質(zhì)量，這也是現(xiàn)有的EEG系統(tǒng)所面臨的主要缺陷，不過(guò)所有的工業(yè)設(shè)計(jì)都是多種利弊權(quán)衡取舍的結(jié)果。正如在臨床上應(yīng)用最為廣泛的是濕電極，濕電極利用導(dǎo)電凝膠可以有效地降低皮膚與電極之間的接觸阻抗，同時(shí)可以降低由導(dǎo)聯(lián)電纜移動(dòng)造成的偽影。濕電極的使用需要備皮，并需要專業(yè)人員進(jìn)行電極的安裝，另外，凝膠容易干，故為了保證獲得的腦電信號(hào)完整性需要頻繁地更換電極，但是，如此的操作保障了腦電信號(hào)的質(zhì)量，卻嚴(yán)重降低了病患的舒適度，對(duì)于需要長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)采集的情形更是不方便，適合于在醫(yī)院使用，在穿戴式便攜設(shè)備上卻不適合。

因此接收折中是必須的，同時(shí)也要有針對(duì)缺陷的解決辦法。前級(jí)緩沖電路就是其中的一個(gè)，它從輸入級(jí)開(kāi)始提升系統(tǒng)獲取信號(hào)的能力。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生不能很好的理解折中的設(shè)計(jì)思想，針對(duì)緩沖級(jí)電路，對(duì)其構(gòu)成和參數(shù)的選擇均不是特別清楚。對(duì)此本文將對(duì)此做較為詳盡的分析，以為各學(xué)校課程教學(xué)提供參考。

二、前級(jí)緩沖電路的結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)選擇分析

前級(jí)緩沖幾乎是所有低頻小信號(hào)檢測(cè)電路所必須的電路結(jié)構(gòu)。人體生物電信號(hào)源自細(xì)胞跨膜物質(zhì)轉(zhuǎn)移中產(chǎn)生的離子動(dòng)作電位，而相應(yīng)信號(hào)傳播到體表會(huì)被更加削弱。當(dāng)從人體中檢測(cè)獲取生物電信號(hào)時(shí)，人體對(duì)于外界電路可以等效為一個(gè)有內(nèi)阻的信號(hào)源?；仡檲D1和圖2，用于測(cè)量生物電信號(hào)的測(cè)量電極會(huì)表現(xiàn)出一個(gè)很高的阻抗特性，而信號(hào)通過(guò)測(cè)量電極，最終是需要后續(xù)電路進(jìn)行處理，故此處將電極及人體整體當(dāng)做后續(xù)電路的信號(hào)源，而后續(xù)電路等效為該信號(hào)源的負(fù)載。如圖3所示等效電路。

圖中，Vsignal表示人體內(nèi)產(chǎn)生的生物電信號(hào)，電極以濕電極為例，由圖2可知，該情況下電極阻抗約為100kΩ，按照?qǐng)D中設(shè)置的信號(hào)參數(shù)，該信號(hào)的峰值為10μV，則其有效值約為7.071μV。RL表示后續(xù)電路的等效負(fù)載阻抗。此時(shí)，根據(jù)不同的RL值，測(cè)量RL上信號(hào)電壓有效值，可得表1所示數(shù)據(jù)。

可見(jiàn)，對(duì)于后續(xù)電路而言，欲得到更好的信號(hào)質(zhì)量，保障處理信號(hào)質(zhì)量，需要后續(xù)電路有較高的輸入阻抗。而單純地使用無(wú)源器件增大輸入阻抗會(huì)造成過(guò)多的損耗。對(duì)此，運(yùn)放的高輸入阻抗可以有效地解決這一問(wèn)題。運(yùn)放的同反相組態(tài)可以分析如下。圖4、5分別是反相放大器和電壓跟隨器，圖6、7分別是兩個(gè)電路的等效電路。

顯然，圖4、5所示電路滿足運(yùn)放的線性區(qū)工作條件，因此運(yùn)放的分析可以按照虛短、虛斷進(jìn)行分析。由圖6、7所示等效電路可見(jiàn)，對(duì)于反相放大電路，其輸入阻抗可約等于R1，而電壓跟隨器輸入阻抗為運(yùn)放同相端輸入阻抗。理想狀態(tài)下，電壓跟隨器輸入阻抗為無(wú)窮大，對(duì)于實(shí)際運(yùn)算放大器，該輸入阻抗也在GΩ的量級(jí)，完全滿足生物信號(hào)檢測(cè)對(duì)前級(jí)輸入阻抗的要求。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)上述分析可以讓學(xué)生知其然又知其所以然，比生硬地給出電路結(jié)構(gòu)更容易讓學(xué)生理解，同時(shí)通過(guò)這種方式，可以引導(dǎo)學(xué)生去分析由于前級(jí)緩沖電路故障而出現(xiàn)的電路故障現(xiàn)象及思考排除方法，容易和基于工作過(guò)程的教學(xué)模式聯(lián)系起來(lái)。

三、結(jié)語(yǔ)

在醫(yī)療電子儀器的教學(xué)中，涉及到很多實(shí)際電路的教學(xué)，我們不但需要分析電路自身的原理問(wèn)題，更應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成實(shí)際工程中的分析思想，讓學(xué)生懂得折中取舍是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，里面凝聚了工程師的扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，而不是理論知識(shí)的生搬硬套。前級(jí)電路雖然簡(jiǎn)單，但是其分析思想?yún)s是分析實(shí)際復(fù)雜電路的一個(gè)切入點(diǎn)和引導(dǎo)學(xué)生如何將理論知識(shí)和實(shí)際問(wèn)題想聯(lián)系的一個(gè)很好入門(mén)的橋梁，同樣值得我們關(guān)注與重視。