基于章魚吸盤柔性干電極的可穿戴腦電采集系統(tǒng)

宋振宇, 申跟財(cái), 劉景全

(上海交通大學(xué) 微納科學(xué)技術(shù)研究院 微米/納米加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引 言

腦電(electroencephalograph,EEG)信號(hào)的采集和分析已經(jīng)在許多領(lǐng)域給人類的生活產(chǎn)生了重大幫助。例如對(duì)帕金森和癲癇等生理疾病的檢測(cè)[1],對(duì)抑郁癥和失眠癥等心理疾病的檢測(cè)[2],以及對(duì)疲勞狀態(tài)和情緒的實(shí)時(shí)狀態(tài)的檢測(cè)[3]。隨著未來(lái)對(duì)人腦的深入理解,腦電信號(hào)在腦機(jī)接口和智能控制領(lǐng)域有著越來(lái)越重要的作用[4～6]。

腦電采集中采用最廣的濕電極采集過程中所使用的導(dǎo)電膏可能會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生刺激,不利于清洗,并且長(zhǎng)時(shí)間使用后由于導(dǎo)電膏脫水變干會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量變差。而濕電極以外大部分的干電極要通過擠壓的方式來(lái)和皮膚緊密基礎(chǔ)來(lái)獲得[7,8],這會(huì)給人帶來(lái)很大的不適感。因此，越來(lái)越多的研究利用生物的仿生結(jié)構(gòu),來(lái)制備一些易于吸附的器件[9～11]。

本文制備了一種基于章魚吸盤仿生結(jié)構(gòu)的腦電電極,其在柔性干電極的周圍加入了章魚仿生結(jié)構(gòu)的吸盤,使其可便捷舒適地吸附在前額和其他少發(fā)區(qū)域,采集腦電信號(hào),并且易于剝離,可重復(fù)使用。同時(shí)搭建了無(wú)線腦電采集系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)腦電信號(hào)。本文系統(tǒng)可以有效采集腦電信號(hào),同時(shí)對(duì)于信號(hào)幅度更大的心電和肌電等其他生物電信號(hào)也可以進(jìn)行采集[12,13]。

1 電極與工藝

1.1 理論分析

首先，對(duì)章魚吸盤吸力的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,將該章魚仿生結(jié)構(gòu)和界面接觸到之間產(chǎn)生吸力的過程主要分為圖1中的3個(gè)階段：第一階段施加一個(gè)壓力Fp使結(jié)構(gòu)的內(nèi)部體積逐漸變小,結(jié)構(gòu)中的液體也達(dá)到了最小。第二階段由于章魚仿生結(jié)構(gòu)具有彈性,其被收縮擠壓,直到圓頂狀微結(jié)構(gòu)和相鄰側(cè)壁接觸,將整個(gè)結(jié)構(gòu)分成上部(C1)和下部(C2)兩個(gè)腔室。之后由于內(nèi)部的毛細(xì)管作用,該毛細(xì)管力將殘余液體抽向腔室C1。第三階段,在去除外部壓力Fp之后,液體分子的內(nèi)聚力使腔室C1閉合。在上腔室C1充滿液體分子后,彈性松弛可以使下腔室C2中產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于外界環(huán)境壓強(qiáng)(ΔP0)極低的壓強(qiáng)(幾乎產(chǎn)生真空狀態(tài),ΔPmax=ΔP0-ΔPC2)，由于下腔室C2的壓強(qiáng)很低,所以,其與外界環(huán)境壓強(qiáng)(ΔP0)的壓強(qiáng)差ΔPmax很大,產(chǎn)生的壓力也就很大?？梢缘玫轿Φ挠?jì)算公式為

圖1 吸力產(chǎn)生原理分析

σ=-ΔPmaxπr2κn

(1)

式中 πr2為每個(gè)結(jié)構(gòu)的接觸面積,κ為該結(jié)構(gòu)的效率;n為每單位面積的章魚吸盤的仿生結(jié)構(gòu)數(shù)。

由此可以得知吸力主要依靠上下腔室分割,上腔室吸入下腔室的液體,使下腔室的壓強(qiáng)達(dá)到一個(gè)很低的值,從而和外界產(chǎn)生一個(gè)大的壓強(qiáng)差來(lái)產(chǎn)生吸力。所以，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)需要球體直徑和外壁的間隔足夠小,在擠壓時(shí)易于和外壁接觸從而將章魚吸盤內(nèi)部分割為上下兩個(gè)腔室,進(jìn)而產(chǎn)生吸力。

1.2 加工工藝

根據(jù)這一原理繪制出了所制備的吸盤結(jié)構(gòu),整體圓柱高0.8 mm,直徑1 mm,中間突出的球直徑為0.8 mm,所以，其和外壁之間的最小間距為0.1 mm，使其可以在擠壓過程中可以和外壁接觸,形成上腔室,從而產(chǎn)生一個(gè)較大的壓強(qiáng)差來(lái)產(chǎn)生吸力。

首先繪制出章魚吸盤結(jié)構(gòu)的逆結(jié)構(gòu)3D模型如圖2(a)所示,并在中央空出之后安放電極的空間,模具的整體結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，之后采用3D打印精度最高的材料紅蠟進(jìn)行3D打印,就完成了倒模模具的制備。

圖2 紅蠟(red wax)模具微觀3D結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)

吸盤電極的制備流程圖如圖3(a)所示,a.3D打印的紅蠟?zāi)＞?。b.為防止倒模時(shí)倒模材料和紅蠟反應(yīng),同時(shí)為了幫助脫模,在3D打印的紅蠟材料上沉積一層5 μm的派瑞林(prylene)。c.電極部分使用柔性FPC加工的鍍金點(diǎn)電極,其直徑為0.5 cm,和模具中央空出的位置相匹配,將電極放置于模具中央。d.將共聚酯(ecoflex)-A溶劑和Ecoflex-B溶劑1︰1混合均勻并抽真空,倒在模具上放入干燥箱在60℃的條件下干燥4 h進(jìn)行倒模。e.將章魚吸盤電極從模具上剝離。制備出的吸盤電極實(shí)物圖如圖3(b)所示。

圖3 吸盤電極的制備流程和實(shí)物

2 腦電采集系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

可穿戴式腦電采集系統(tǒng)框架如圖4所示,系統(tǒng)可分為采集發(fā)送端和接收顯示端兩部分,采集發(fā)送端由章魚吸盤電極,ADS1299模擬前端模塊,ZYNQ數(shù)據(jù)處理與控制模塊,ESP8266 WiFi發(fā)送模塊和電池組成,接收顯示端為電腦上位機(jī)接收顯示程序。

圖4 系統(tǒng)框架示意

2.2 采集發(fā)送端

系統(tǒng)采用TI公司的集成模擬前端芯片ADS1299實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換,ADS1299具有8個(gè)低噪聲可編程增益放大器(PGA,放大倍數(shù)1～24倍)和8個(gè)高分辨率(24位)同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。具有極低的等效輸入噪聲1.0 μVpp,低輸入偏置電流(300 pA),250 Hz～16 kHz可調(diào)采樣率。其直流輸入阻抗達(dá)1 GΩ以上,適合接觸阻抗較高的干電極使用。目前已廣泛應(yīng)用于腦電、心電等生物電信號(hào)的采集。ADS1299的輸入端具有2個(gè)參考輸入引腳,通過編程控制8個(gè)輸入端可在差分輸入與單極輸入間切換,適合不同生理信號(hào)采集模式。同時(shí),ADS1299具有輸出偏置引腳,可以有效減少共模信號(hào)干擾。ADS1299 采用SPI通信協(xié)議進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)傳輸,可進(jìn)行連續(xù)采集和可控單次采集。將其配置為連續(xù)采集模式,當(dāng)完成一次采樣時(shí),通過IO輸出信號(hào)給控制器提示采樣完成。ADS1299采用TQFP—64封裝,尺寸僅為12 mm×12 mm,其高集成度可大大減少分立器件的數(shù)量,非常有利于系統(tǒng)的小型化。其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 ADS1299外圍電路設(shè)計(jì)

無(wú)線發(fā)送模塊使用了樂鑫公司的ESP8266采用WiFi傳輸,ZYNQ通過SPI接口向無(wú)線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)SPI接口的時(shí)鐘速率為20 MHz,對(duì)其完成初始化配置之后,通過SPI接口向其發(fā)送數(shù)據(jù),即可實(shí)現(xiàn)WiFi無(wú)線傳輸,WiFi模塊的最大穩(wěn)定傳輸速率可以達(dá)到5 Mb/s。

主控芯片采用的是Xilinx公司的ZYNQ系列,ZYNQ芯片內(nèi)包含一個(gè)豐富特性的基于雙核ARM Cortex—A9的處理子系統(tǒng)(processing system,PS)和Xilinx 28nm可編程邏輯(programmable logic,PL)。PS除了核心外還包括片上存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器接口以及大量外設(shè)連接接口。程序流程如圖6所示,首先,完成對(duì)要使用的SPI模塊、GPIO中斷控制模塊進(jìn)行初始化,之后對(duì)ADS1299采樣模塊和WiFi發(fā)送模塊進(jìn)行初始化配置,之后,根據(jù)ADS1299的指示采樣完成的IO端口信號(hào)觸發(fā)中斷,控制SPI接口讀取腦電數(shù)據(jù),經(jīng)過PL部分實(shí)現(xiàn)50 Hz的陷波濾波處理,濾除50 Hz工頻噪聲后，存儲(chǔ)在發(fā)送數(shù)據(jù)包的相應(yīng)位置,并腦電采樣完成次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)腦電采樣10次后,將其清零,并將整個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送給無(wú)線模塊,通過WiFi傳給電腦。

圖6 程序流程

供電系統(tǒng)由3.7 V鋰電池供電,產(chǎn)生3.3 V供給ADS1299的數(shù)字電源輸入端、ZYNQ和WiFi模塊同時(shí)產(chǎn)生±2.5 V供給ADS1299的模擬電源輸入端，3.3 V電源使用CJA1117。由于ADS1299的模擬電源作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓,其噪聲對(duì)于腦電信號(hào)的采樣精度有著重大影響，所以2.5 V電源采用TI公司的LP5907—2.5超低噪聲低壓差穩(wěn)壓器,輸出電壓噪聲小于6.5 μVpp,可提供最大250 mA電流。由于 ADS1299的模擬電源輸入要求正負(fù)電源供電,因此，供電系統(tǒng)使用TI公司的TPS60403充電泵電壓反相器,獲得-3.3 V電壓，再由TPS72301負(fù)輸出低壓差線性穩(wěn)壓器輸出-2.5 V電源。電源模塊采用的線性穩(wěn)壓器及電壓反向器皆為SOT—23小尺寸封裝,其長(zhǎng)寬為2.90 mm×1.60 mm,有利于系統(tǒng)的小型化。

電路板采用了模數(shù)隔離的思想進(jìn)行設(shè)計(jì),減少數(shù)字部分對(duì)模擬部分的影響從而提高采樣精度,實(shí)物如圖7所示,采用上下兩層拼接的方式來(lái)減小尺寸,上層板為主控芯片ZYNQ部分,下層底板為ADS1299和無(wú)線發(fā)送模塊,整體的大小為52 mm×35 mm×12 mm,重量19g,滿足可穿戴采集的要求。

圖7 發(fā)送端實(shí)物

2.3 接收顯示端

系統(tǒng)接收端為電腦的上位機(jī)接收程序,無(wú)線WiFi模塊在無(wú)遮擋空間內(nèi)有效傳輸距離為15 m。電腦連接上采集發(fā)送端所創(chuàng)建的WiFi熱點(diǎn)后,運(yùn)行通過Python編寫的顯示接收程序,即可實(shí)時(shí)讀取,顯示及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。可對(duì)存儲(chǔ)的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析處理算法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 章魚吸盤電極的力學(xué)性能測(cè)試

首先，針對(duì)本文中提出的章魚仿生結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的吸力進(jìn)行測(cè)試,將制作的吸盤電極吸附于平面上,用拉力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試，將其剝離所需的最小拉力為65 N。該測(cè)試結(jié)果表明，其可以滿足在測(cè)試過程中發(fā)生輕微擾動(dòng)時(shí)電極吸附的穩(wěn)定性,使整個(gè)采集過程保持穩(wěn)定。

對(duì)章魚吸盤電極的連續(xù)吸附次數(shù)進(jìn)行測(cè)試,將電極吸附于人體前額處,剝離,等待10 s,記為1次。經(jīng)測(cè)試該電極可連續(xù)吸附53次，滿足對(duì)其可重復(fù)使用的要求。

3.2 章魚吸盤電極的電學(xué)性能測(cè)試

對(duì)該電極的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試,如圖8所示,章魚吸盤結(jié)構(gòu)電極的采集結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)商用濕電極的采集結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。試驗(yàn)中,采用在鄰近位置( 兩電極相鄰放置,相鄰電極中心距小于2 cm)，同時(shí)并行獲取頭皮電位,2個(gè)電極均安放在前額的Fp1區(qū)域,2種電極使用同一個(gè)參考電極安放在左耳耳垂位置; 同一個(gè)地電極安放在右耳耳垂位置,參考電極和地電極均使用標(biāo)準(zhǔn)商用Ag/AgCl濕電極。受試者是23歲身體健康的男性。使用研發(fā)的無(wú)線腦電采集系統(tǒng),采樣頻率設(shè)為1 kHz,在電腦上運(yùn)行上位機(jī)接收軟件,顯示并存儲(chǔ)采集得到的腦電信號(hào),之后用MATLAB軟件對(duì)存儲(chǔ)的腦電信號(hào)進(jìn)行分析。

圖8 測(cè)試實(shí)拍

對(duì)前額睜眼和眨眼的腦電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,睜眼采集 2 s的腦電信號(hào),章魚吸盤結(jié)構(gòu)電極和商用Ag/AgCl濕電極的時(shí)域和頻域波形如圖9(a)和圖9(b)所示。之后測(cè)試3 s內(nèi)眨眼3次的腦電信號(hào)的時(shí)域和頻域波形如圖9(c)和圖9(d)所示,其中時(shí)域波形圖的橫坐標(biāo)的單位為毫秒(ms),縱坐標(biāo)單位為毫伏(mV),頻域波形的橫坐標(biāo)的單位為赫茲(Hz),縱坐標(biāo)單位為微伏的平方每赫茲(μV2/Hz)。采集效果和Ag/AgCl濕電極相當(dāng)證明了章魚吸盤電極可以良好的采集到腦電信號(hào)。

圖9 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文研制了基于章魚吸盤柔性干電極的可穿戴無(wú)線腦電采集系統(tǒng)。將干電極和章魚的吸盤結(jié)構(gòu)相結(jié)合,使得該電極具有良好的吸附能力,且易于剝離,可多次重復(fù)使用,同時(shí)其信號(hào)質(zhì)量也和標(biāo)準(zhǔn)商用Ag/AgCl濕電極相當(dāng),解決了濕電極需要涂抹導(dǎo)電凝膠和普通干電極擠壓所帶來(lái)的不適感等問題。同時(shí)研發(fā)了無(wú)線腦電采集系統(tǒng),系統(tǒng)采用高性能的ZYNQ作為數(shù)據(jù)處理與控制模塊,可擴(kuò)展能力強(qiáng),采用WiFi無(wú)線傳輸協(xié)議。整個(gè)系統(tǒng)大小為52 mm×35 mm×12 mm,重19 g,滿足了可穿戴腦電采集的需要。