国际医疗器械展览会 | 关于脑电信号采集的硬件设计
2024-02-02
传统的脑电信号分析方法主要有时域分析、频域分析和谱分析等。近些年，随着非线性动力学研究的深入和神经网络的广泛运用，许多新颖的方法逐步被用于脑电信号分析。国际医疗器械展览会Medtec China 本文将讲解关于脑电信号采集的硬件设计。
脑电信号的介绍
脑电信号是大脑皮层或者头皮表面记录到的大脑皮层神经元群突触后电位总和。它包含大量的生理信息和病理信息，是一种非常典型的生物电信号。为了探索人体大脑奥秘，在大脑和外部环境之间建立起一种直接的通讯交流渠道成为非常必要的手段，这就是如今广为研究的“脑-机接口”(Brain-Computer Interface, BCI)。通过对脑机接口的脑电认知研究，我们可以了解神经细胞电活动与人们心理活动、生理活动之间的联系，这在临床医学领域具有重大意义。
常见的穿戴式EEG系统，左为西班牙Neuroelectrics公司的无线脑电系统Enobio，中为荷兰TMSi公司的便携式脑电系统SAGA，右为美国BEL公司的高密度脑电系统
脑电信号的分类
根据信号的频率和振幅可将脑电信号分为五种脑电波：α波、β 波、θ波、δ波和γ 波。它们的基本特征如下：
α波：频率范围处于 8Hz~13Hz 之间，振幅范围处于 20μv~100μv 之间，α波可在大脑的枕叶和顶叶区检测到，当人在清醒、安静或者闭眼时，α波容易被检测到，波形程菱状图形，波幅从小到大，再从大变小有规律的变化。
β 波：频率范围处于 20Hz~30Hz 之间，振幅范围处于 5μv~20μv 之间。β波可在额部和颞部检测到，它是一种快波， 在人大脑思维活跃的时候出现。
θ波：频率范围处于 4Hz~7Hz 之间，振幅范围处于 10μv~50μv 之间。θ波的检测与人的精神有关，θ波在人精神困倦或者抑郁时候出现。
δ波：频率范围处于 1Hz~3.5Hz 之间，振幅范围处于 20μv~200μv 之间。δ波的检测跟人所处的状态有关，它在人处于睡眠状态或昏迷状态以及缺氧时候出现。
γ 波：频率范围处于 30Hz~60Hz 之间，振幅很小。γ波可在额区和前中央区检测到。
脑电波容易因人的生理状况影响而产生变化，单独某种脑电波的多少也因人体生理状况而表现不同。因此脑电图的记录可作为检查人大脑功能或者生理状况是否正常的一种重要手段。例如，抑郁患者的脑电图可以观察到明显的θ波。这些波形的检测对患者疾病的治疗有着重要意义。
脑电采集系统的组成
脑电采集系统分为硬件和软件两个部分，硬件部分由脑电电极、预处理电路、A/D 转换模块、单片机控制模块、通信模块部分构成；软件部分主要是上位机程序，负责数据接收、命令下发、数据处理、数据存储和波形显示。本文主要介绍硬件部分。整体系统组成示意图如下图所示：
图片来源
曾兴涛, 论文《穿戴式脑电采集系统的研制》, p8
脑电电极
脑电电极是用来传递或记录脑部电势分布及变化的传感器。电极类型总的来说主要分为湿电极、干电极和半干式电极这三类。
1 – 脑电湿电极
湿电极为脑电采集的传统电极类型，一般采用银/氯化银（Ag-AgCl ）做电极材料。进行脑电信号采集时，为了降低电极与头皮之间的阻抗，需在电极与头皮间涂抹液态或糊状的导电介质( 导电膏或导电液),导电膏中的氯、钾、钠等离子扩散进入人体皮肤的角质层，降低了电极与皮肤之间的接触阻抗。因其阻抗低、稳定、信噪比高和信号可靠的优势，湿电极成为临床和科研脑电测量的主要选择和标准。
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图片来源：zhuanlan.zhihu.com/p/540101050
导电膏电极
湿电极的优点:
① 允许进行高密度脑电图记录
② 较高的信号质量
③ 比干电极和半干电极更不容易受电源干扰和运动伪影的影响
④ 支持长时间稳定记录
湿电极的缺点:
① 测试前需要对头皮进行去角质处理，时间成本和操作复杂度高
② 对参与者来说舒适性较低，头发需要清洁
③ 在长时间采集的应用场景下需要反复加注导电膏，耗时较繁琐
④ 需专业人员操作，无法满足日常脑电监测需求
适用领域：从采集信号的高信噪比来看，湿电极是脑电电极的“黄金标准”，被广泛应用于科研、认知和临床等研究领域。
2 – 脑电干电极
为了解决使用导电膏等带来的佩戴繁琐、难以长时间检测等问题，干电极在90年代首次被发明出来。
干电极由惰性导电材料组成，该材料与皮肤机械耦合以进行信号转导，由于不需要涂抹导电膏等，具有使用方便、使用者感觉舒适、易于便携式脑电设备的应用等显著优势。但由于干电极不使用导电凝胶或导电膏，因此干电极比湿电极的电极阻抗更高。
干电极根据是否与头皮接触可分为接触式干电极和非接触式干电极; 接触式干电极根据形状不同又可以分为微针电极、指状电极、混合电极等。
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接触式干电极是干电极主要的研究方向。接触式干电极依据使用在人体的不同部位的特征，可以分为有发区域（头部）和无发区域（皮肤）。无发区域的干电极主要采集脑电多是放置在前额区域。与表皮信号采集相比，头皮脑电信号的采集面临更多困难，采集时需要解决头发造成的阻碍。头皮脑电研究主要通过电极的材料、外形结构的设计，使得其能够穿过头发稳定采集信号。
干电极的优点：
① 比湿电极的设置时间更快
② 不需要皮肤准备
③ 适用于家庭测试
④（几乎）不需要清理
⑤ 在某些情况下，无需经过培训即可使用
图片来源：zhuanlan.zhihu.com/p/540101050
干电极
干电极的缺点：
① 难以将电极固定在头皮上
② 信号不稳定性较强和阻抗更高
③ 比湿电极更容易受到电源干扰和运动伪影的影响
适用领域: 主要应用于神经科学、神经反馈、增强认知、脑-机接口和心理学等研究领域，在未来脑机接口的转化上比较适用。
3 – 脑电半干电极
针对湿电极与干电极的不足之处，为了提高舒适性，保障信号质量，研究人员开始使用电解液取代导电膏。例如，一些半干电极使用水海绵与自来水或盐水来增加皮肤表面和电极之间的传导。
图片来源：zhuanlan.zhihu.com/p/540101050
半干电极的原理是：电极自身拥有电解液容器，在使用过程中通过外部施加压力从特定结构中释放电解液，释放的电解液构成头皮和电极之间的离子通道。
图片来源：zhuanlan.zhihu.com/p/540101050
半干电极原理示意图
半干电极综合了传统电极与干电极的特点，既兼顾了降低阻抗所需要的电解质层，使用后又不会造成导电膏残留，并且避免了干电极可能对皮肤造成的创伤。
半干电极的优点：
① 比湿电极的设置时间更快
② 比湿电极更快速地清理
③ 克服了在干电极中出现的高阻抗和信号不稳定问题
④ 适用于家庭测试
⑤ 在某些情况下，无需训练有素的技术人员即可实现
图片来源：zhuanlan.zhihu.com/p/540101050
海绵电极
半干电极的缺点：
① 需要额外的压力来实现连续释放电解液
② 与湿电极相比，干燥速度更快，因此需要更频繁地重新润湿
③ 可以采取有限的措施来改善皮肤电极接触质量
适用领域：适用于短时间测试使用，当受试者是老年人或者是儿童群体时，使用更方便。
预处理电路的设计
为了从混有强背景噪声（肌电、心电、50Hz工频干扰等）中有效地提取出脑电转换为数字信号，放大器的输入阻抗以及共模抑制比直接影响着系统性能。对于脑电信号采集系统的设计，由于脑电信号的幅值微弱、受干扰性强等特征，因此要求选型的放大器具有高共模抑制比、高增益等特点，普通运算放大器是无法满足设计需求的，为满足设计需求，我们选择仪表放大器。
仪表放大器 AD8222 是美国 ADI 公司生产的一款经典的三运放仪表放大器，它的增益最高可达1万倍，信噪比根据增益不同而不同，最低80dB，因此 AD8222 可以很好满足系统的设计要求。AD8222 结构简略图如下图所示。
图片来源：
付蓉, 论文《脑电信号数据采集系统的硬件电路设计》, p18
AD8222的内部三运放结构简略图
A/D采集电路的设计
系统采样设计选用的芯片是美国 TI 公司生产的 ADS1178。它是 8 路 16 位 同步采样的模数转换器，采样率最高可达 52kHz，它的工作电压为 5v，信噪比为97dB。ADS1178 的功能图如下图所
图片来源：
付蓉, 论文《脑电信号数据采集系统的硬件电路设计》, p22
单片机控制模块的设计
单片机控制模块以 STM32f103 为核心构建。本文设计中的单片机模块构建电路如下图，硬件上主要使用到的单片机资源有：SPI、USART 通讯接口以及控制 A/D 转换模块用到的通用 I/O 口。
图片来源：
曾兴涛, 论文《穿戴式脑电采集系统的研制》, p10
单片机模块构建电路
通信模块的设计
通信模块负责脑电采集系统上、下位机之间的通信。本文设计中主要采用了蓝牙通讯方式。蓝牙串口模块采用广州汇承公司出品的 HC-06 模块。电路如下图
图片来源：
曾兴涛, 论文《穿戴式脑电采集系统的研制》, p11
HC06模块电路图
文章来源：脑机接口社区
