便攜式柔性石墨烯電極腦電采集系統(tǒng)

祝偉仝 呂林洋 王鑫 婁存廣 閏明濤 劉秀玲

摘 ?要： 腦電能反映人腦的健康及認(rèn)知活動狀況，是腦疾病診治及認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的重要參數(shù)?；陬^皮腦電的腦電信號監(jiān)測也是腦機(jī)接口的重要手段。該文開發(fā)一種基于柔性石墨烯干式腦電（EEG）電極和便攜式無線終端的腦電采集系統(tǒng)。利用真空抽濾的方法制備了柔性聚酯纖維（織物）基底石墨烯織物電極，基于ADS1299模擬前端和超低功耗單片機(jī)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了便攜式低功耗無線腦電采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)腦電信號的采集、處理、存儲和無線傳輸。對石墨烯電極的導(dǎo)電特性、耐久性、穩(wěn)定性進(jìn)行了測試并和商用氯化銀電極進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，文中開發(fā)的石墨烯電極能夠?qū)崿F(xiàn)腦電信號的高信噪比精確采集，并且滿足長期佩戴所需的耐摩擦性。與皮膚連續(xù)摩擦接觸的測試結(jié)果表明，隨著時間的推移，石墨烯電極本征阻抗及采集的腦電信號質(zhì)量并沒有發(fā)生明顯變化。基于石墨烯電極的便攜式無線腦電采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，設(shè)計合理，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足便攜式腦電采集設(shè)備的需要。

關(guān)鍵詞： 腦電采集系統(tǒng); 石墨烯電極; 系統(tǒng)設(shè)計; 便攜式采集; 無線傳輸; 測試分析

中圖分類號： TN103?34; TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）12?0022?05

Abstract： EEG signal can reflect the health status and cognitive activity of the human brain， which is an important parameter in the brain disease diagnosis and treatment， as well as the cognitive neuroscience. The EEG signal monitoring based on scalp EEG is also an important mean of the brain?computer interface. An EEG acquisition system based on the flexible graphene dry EEG electrode and the portable wireless terminal is developed. The graphene fabric electrode with the flexible polyester （fabric） substrate is prepared by means of the vacuum filtration method. The portable low?power consumption wireless EEG acquisition system is designed and realized on the basis of ADS1299 analog front?end and ultra?low power consumption MCU， which can realize the acquisition， processing， storage and wireless transmission of EEG signal. The conductivity， durability and stability of the graphene electrode were tested and compared with those of the commercial silver chloride electrode. The results show that the developed graphene electrode can collect the EEG signals with high signal?to?noise ratio ?precisely， and meet the needs of the friction resistance for long?term wearing. The testing results of continuous frictional contact with skin indicate that， as times go on， the intrinsic impedance of the graphene electrode and the quality of the EEG signal collected by it do not change significantly. The data collected by the portable wireless collection system based on graphene electrode is accurate and reliable， its design is reasonable， and its operation is stable. It can satisfy the need of the portable EEG acquisition equipments.

Keywords： EEG acquisition system; grapheme electrode; system design; portable acquisition; wireless transmission; testing analysis

大腦是人體最重要的器官之一，具有非常強(qiáng)大的功能和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。腦電（EEG）是由大腦神經(jīng)活動產(chǎn)生的電位信號，是人體中重要的生物電信號，反映了大腦神經(jīng)元細(xì)胞體的生理活動，蘊(yùn)藏了豐富的大腦活動信息。腦電信號頻率主要集中在0.5～100 Hz，電壓幅值[1]為5～100 μV。腦電信號是研究腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、臨床腦疾病診療的重要載體[2]。以腦電為基礎(chǔ)的腦機(jī)接口（Brain Computer Interface，BCI）信號解析及設(shè)備智能控制是當(dāng)今腦科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

在腦電信號監(jiān)測中，頭皮腦電相對于顱內(nèi)腦電采集技術(shù)具備無創(chuàng)的優(yōu)點(diǎn)，用途更為廣泛。傳統(tǒng)的腦電信號采集設(shè)備雖然精度上能滿足醫(yī)療和科研等方面的需求，但是其體積比較大，價格昂貴，攜帶不便[3?4]。腦電采集需要專業(yè)人員操作，被試者需要佩戴腦電帽并涂抹導(dǎo)電膏，容易產(chǎn)生不舒適感，且只能在醫(yī)院中進(jìn)行采集，不能自由活動，故不適宜作為日常連續(xù)監(jiān)測的手段。采集時被試者并不是在真正的生活環(huán)境中，對于研究一些疾病的誘導(dǎo)因素帶來困難。此外，運(yùn)動噪聲干擾及汗液短路使長期動態(tài)頭皮腦電采集存在巨大的挑戰(zhàn)。隨著石墨烯材料的出現(xiàn)，利用石墨烯技術(shù)設(shè)計的柔性電極可以極大地提高被試者的舒適度，解決了被試者佩戴不舒適、影響日常生活等問題，可以做到無違和感佩戴。同時相較于傳統(tǒng)的氯化銀電極，石墨烯柔性電極無毒無害且具有良好的生物相容性，長期佩戴不會對皮膚造成損傷，因此適用于需要長期監(jiān)測的場景。

針對傳統(tǒng)腦電采集設(shè)備的局限性，本文設(shè)計高導(dǎo)電率、高穩(wěn)定性柔性石墨烯織物電極及便攜式腦電采集終端，使得腦電信號的采集不再局限于醫(yī)院和專業(yè)人員的操作，可以在日常生活中進(jìn)行連續(xù)采集。在穿戴式設(shè)備、腦機(jī)接口、智慧健康養(yǎng)老等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的腦電采集終端采用便攜化設(shè)計，通過柔性石墨烯電極采集腦電信號，經(jīng)過濾波預(yù)處理和ADS1299模擬前端的放大后將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過SPI讀取放大器輸出的數(shù)據(jù)，然后通過串口傳給無線模塊，無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)護(hù)終端設(shè)備，通過上位機(jī)可以查看數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析處理。

本系統(tǒng)可用于睡眠監(jiān)測、疲勞駕駛檢測等需要長期腦電信號監(jiān)測的應(yīng)用場景[5]。采集終端設(shè)備具有采集時間靈活、操作簡單的特點(diǎn)。配合石墨烯柔性電極實(shí)現(xiàn)無違和感檢測，克服了傳統(tǒng)濕式電極在長時間佩戴時信號衰減、腐蝕皮膚、影響佩戴者日常生活等問題。

2 ?石墨烯電極的設(shè)計

傳統(tǒng)的濕式腦電帽需要涂抹導(dǎo)電膏或者浸泡生理鹽水才可以佩戴，佩戴過程繁瑣，調(diào)整所需時間較長，且佩戴不舒適。濕電極在長期測量過程中隨著時間的推移，導(dǎo)電膏脫水，采集到的信號出現(xiàn)衰減，對信號質(zhì)量造成一定的影響[6]。

為了克服濕電極技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，近幾年來基于非導(dǎo)電膠/膏的干電極和半干電極技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。利用石墨烯的導(dǎo)電性和良好的生物相容性，對皮膚無刺激、無生理毒性的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計制作了可長時間佩戴及反復(fù)使用的柔性石墨烯織物電極。采用石墨作為原材料，利用氧化還原方法制備導(dǎo)電石墨烯，并通過真空抽濾法將石墨烯附著到柔性聚酯纖維（織物）基底上制成了柔性石墨烯電極，并通過添加粘膠增加石墨烯的附著力提高抗摩擦性。因?yàn)殡姌O本身為干電極，不存在傳統(tǒng)的濕電極隨著時間推移導(dǎo)致的信號衰減問題，適用于長時間連續(xù)腦電監(jiān)測。

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了研究石墨烯柔性電極對于腦電信號的檢測靈敏度，將直徑1 cm的石墨烯電極片利用具有彈性的腦電帽固定在24歲健康男性受試者前額處，并通過固定長度的線纜連接至腦電系統(tǒng)，以商用氯化銀電極作為參考電極和地電極采集腦電信號進(jìn)行對比。圖1所示為石墨烯電極和氯化銀電極采集得到的眨眼時前額處腦電信號波形。結(jié)果表明，石墨烯電極與氯化銀電極采集到的波形基本一致無畸變，信號幅值基本相同，噪聲水平接近，兩者信噪比分別為25.8 dB和26.2 dB，石墨烯電極能夠獲得理想信噪比的腦電信號。

為了評估長期測量及磨損對采集腦電信號的影響，將石墨烯電極剪裁成方形貼在上臂皮膚上，連續(xù)采集了7天內(nèi)電極的阻抗值，并且每隔2天采集一次腦電信號，分析不同時間眨眼動作時的腦電信號。圖2所示為石墨烯電極在7天內(nèi)的特征阻抗即變化率曲線，詳細(xì)數(shù)據(jù)的記錄如表1所示。石墨烯電極的本征阻抗約為140 Ω，7天內(nèi)的阻抗變化率小于11%，石墨烯電極與皮膚長時間接觸并未對其阻抗造成較大影響，說明該電極具有良好的導(dǎo)電性及較高的時間穩(wěn)定性。圖3所示為第1天、第4天和第7天時測得的前額處眨眼時腦電信號以及與氯化銀電極的比較。結(jié)果表明，隨著時間的推移，所采集到的腦電信號振幅無明顯衰減，波形也未出現(xiàn)基線漂移。圖中振幅的細(xì)微偏差是由于電極與皮膚接觸壓力不同導(dǎo)致的接觸阻抗差異引起的。

本實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明石墨烯電極在長期內(nèi)采集到的腦電信號穩(wěn)定，克服了大多數(shù)濕電極在長時間檢測過程中存在的信號衰減問題。

在電極長期佩戴的過程中必然會存在和皮膚接觸摩擦的情況。為了測試石墨烯電極抗摩擦能力，將石墨烯電極與皮膚摩擦1 000次，并在每摩擦50次后用萬用表測量一次電極阻抗。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次數(shù)據(jù)測量時均測量8次，取其平均值記錄。實(shí)驗(yàn)收集了反映其阻抗變化情況的21組數(shù)據(jù)。

通過圖4可見，經(jīng)過1 000次的摩擦，石墨烯電極的阻抗變化小于18 Ω，相對變化率在13.95%以內(nèi)，表明石墨烯具有良好的耐摩擦性。

為了研究石墨烯電極特征阻抗的頻率特性，利用1693型RLC Digibridge測量了其交流阻抗。

圖5為石墨烯電極在12 Hz～1 kHz之間頻率范圍內(nèi)的阻抗數(shù)據(jù)，通過測試數(shù)據(jù)可以看出在此測量區(qū)間石墨烯阻抗值從80 Ω逐漸變化到115 Ω左右。在較寬的頻率范圍內(nèi)具有較高的導(dǎo)電性，保證了對不同頻率生物電信號的精確采集及頻帶寬度的需求。

功率譜可以直觀地反映腦電信號的頻率成份以及各成份之間的相對強(qiáng)弱，揭示腦電節(jié)律分布與變化情況。圖6所示是石墨烯電極和氯化銀電極所采集的腦電信號，在受到相同頻率的外界刺激時的頻域功率譜特性，通過該圖可以看到，石墨烯電極與氯化銀電極所在的頻域內(nèi)的功率譜基本一致。

4 ?腦電采集硬件設(shè)計

腦電信號具有幅值微弱、隨機(jī)性強(qiáng)、容易受到干擾（尤其易受到50 Hz的工頻干擾）等特點(diǎn)[7]。采集腦電信號時一般不止采集一個通道，通常需要同時采集多通道的信號。傳統(tǒng)腦電采集設(shè)備為了滿足腦電信號采集的要求往往采用復(fù)雜的分立式濾波和放大電路，雖然具有足夠高的精度，但是電路板體積過大不利于便攜化，功耗高，并且大量的模擬電路會給采集系統(tǒng)帶來大量的噪聲等問題。

4.1 ?硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文開發(fā)的便攜式腦電采集系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)框圖如圖7所示。通過石墨烯電極采集到腦電信號經(jīng)過低通濾波和工頻濾波的預(yù)處理后送入ADS1299模擬前端，ADS1299將信號調(diào)理、放大后通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理后存入存儲卡，同時經(jīng)無線傳輸電路將采集到的信號傳輸?shù)绞謾C(jī)、平板電腦等終端設(shè)備。系統(tǒng)采用鋰電池供電，可以消除一部分工頻干擾的影響。電源管理電路控制鋰電池的充放電，提高鋰電池的效率，同時不會因?yàn)檫^充過放而對電池造成損傷。

4.2 ?模擬前端設(shè)計

為了準(zhǔn)確地提取腦電信號，腦電采集設(shè)備的模擬前端必須具有高輸入阻抗和高共模抑制比。集成化的模擬前端芯片相對于分立式元器件搭建的電路具有功能模塊化、低功耗、體積小和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[8]。本文設(shè)計的模擬前端采用了ADS1299芯片，該芯片是專門為腦電信號采集而設(shè)計的，內(nèi)部集成的可編程放大器實(shí)現(xiàn)微弱信號的放大[9]。ADS1299具有豐富的功能和很高的集成度，同時還具有極低的功耗，每個通道的功耗[10]僅有5 ?mW。

由于ADS1299內(nèi)具有基準(zhǔn)電壓和板載振蕩器，所以不再需要單獨(dú)設(shè)計參考電壓電路，通過式（1）可知，利用參考電壓[VLSB]可計算出電壓分辨率[VLSB]。本設(shè)計中參考電壓為4.5 V，當(dāng)[VLSB]=4.5 V時通過計算得到分辨率為0.536 μV。

通過調(diào)節(jié)芯片內(nèi)部的可編程放大器，可使得采樣數(shù)據(jù)分辨率達(dá)到0.053 6 μV，而腦電信號[11]一般為5～100 μV。所以采集到的腦電信號不需要進(jìn)行放大處理即可直接進(jìn)入ADS1299。

4.3 ?單片機(jī)和無線傳輸模塊設(shè)計

單片機(jī)作為整套系統(tǒng)的核心部分承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和傳輸?shù)娜蝿?wù)。因?yàn)楸驹O(shè)計為電池供電的便攜式設(shè)備，所以在單片機(jī)選型時需要考慮功耗問題。本文選擇了低功耗的STM32L051系列單片機(jī)作為主控芯片。STM32L051是基于Arm? Cortex? M0+內(nèi)核的超低功耗32位單片機(jī)，具有豐富外設(shè)的同時也具有超低的功耗，動態(tài)運(yùn)行功耗低至49 ?A/MHz，適用于電池供電設(shè)備。

本系統(tǒng)中單片機(jī)將采集到的腦電數(shù)據(jù)通過串口無線模塊進(jìn)行傳輸，傳輸速率為：

式中：data為每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位;T為采樣周期;ch為腦電電極的導(dǎo)聯(lián)數(shù)量[11]。本設(shè)計為8通道采集，采樣率為512 Hz，T=0.001 953 125 s，代入式（2）計算得出數(shù)據(jù)傳輸速率為98 304 bit/s。所以傳輸速率只要達(dá)到115 200 bit/s即可滿足系統(tǒng)的傳輸要求。

4.4 ?軟件處理流程

系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖8所示。采集設(shè)備接通電源后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化完成后檢測電極和無線模塊是否連接，若電極或無線模塊沒有連接則發(fā)出提示。待電極和無線模塊都連接好后，等待開始采集指令，收到指令后進(jìn)行腦電信號采集并通過無線模塊按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時將數(shù)據(jù)存儲到SD卡。

5 ?結(jié) ?語

本文利用石墨烯的優(yōu)良導(dǎo)電特性設(shè)計制作了基于柔性石墨烯電極的便攜式腦電采集系統(tǒng)。石墨烯電極具有良好的導(dǎo)電性、生物相容性、耐摩察性，長期與皮膚接觸時信號也不會出現(xiàn)衰減，可以滿足長期監(jiān)測的要求。采用柔性石墨烯作為腦電電極設(shè)計了便攜式腦電采集系統(tǒng)。利用高集成度的ADS1299作為模擬前端，極大地簡化了電路設(shè)計并提高了抗干擾能力，可以對腦電信號進(jìn)行高精度、低噪聲的采集和處理，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，電路板體積小。實(shí)驗(yàn)測試證明，石墨烯電極采集到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，可以滿足作為便攜式腦電信號監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行日常生活監(jiān)測，亦可以推廣應(yīng)用到科研、醫(yī)療、教育等多個領(lǐng)域中，對腦電信號相關(guān)的研究與腦電相關(guān)醫(yī)療器械的研發(fā)具有較大的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝宏，李亞男，夏斌，等.基于ADS1299的可穿戴式腦電信號采集系統(tǒng)前端設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（3）：86?89.

[2] LOPEZ?GORDO M A， PELAYO F， FERNANDEZ E， et al. Phase?shift keying of EEG signals： application to detect attention in multi talker scenarios [J]. Signal process， 2015， 117： 165?173.

[3] 王桂英，王艷娟.腦電采集用電極制造技術(shù)研究進(jìn)展[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（25）：107?115.

[4] YAPICI M K， ALKHIDIR T E. Intelligent medical garments with graphene?functionalized smart?cloth ECG sensors [J]. Sensors， 2017， 17（4）： 875.

[5] 侯璐松.駕駛員警覺度預(yù)警系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代計算機(jī)，2017，40（1）：34?37.

[6] DAVIES P J， BOHORQUEZ J. Design of a portable wireless EEG system using a fully integrated analog front end [C]// 29th Southern Biomedical Engineering Conference. Miami： IEEE， 2013： 14?21.

[7] 劉國立，王一丁.腦電遙測監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2018，27（10）：91?95.

[8] MARTINS A C， MOREIRA A， MACHADO A V， et al. Development of polymer wicks for the fabrication of biomedical sensors [J]. Materials science & engineering materials for biological applications， 2015， 49（24）： 356?363.

[9] 陳悅，羅錦宏，何可人，等.基于模擬前端ADS1299的腦電信號采集系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2015，34（8）：55?57.

[10] 謝宏，顏林，姚楠，等.基于ADS1298的新型腦電信號采集前端設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（4）：75?78.

[11] 葉志雄，羅錦宏，糜超，等.16通道腦電采集系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43（8）：73?76.