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(dòng)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(hào)監(jiān)測(cè)也是腦機(jī)接口的重要手段。該文開(kāi)發(fā)一種基于柔性石墨烯干式腦電（EEG）電極和便攜式無(wú)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(jì)實(shí)現(xiàn)了便攜式低功耗無(wú)線腦電采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)腦電信號(hào)的采集、處理、存儲(chǔ)和無(wú)線傳輸。對(duì)石墨烯電極的導(dǎo)電特性、耐久性、穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試并和商用氯化銀電極進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，文中開(kāi)發(fā)的石墨烯電極能夠?qū)崿F(xiàn)腦電信號(hào)的高信噪比精確采集，并且滿(mǎn)足長(zhǎng)期佩戴所需的耐摩擦性。與皮膚連續(xù)摩擦接觸的測(cè)試結(jié)果表明，隨著時(shí)間的推移，石墨烯電極本征阻抗及采集的腦電信號(hào)質(zhì)量并沒(méi)有發(fā)生明顯變化。基于石墨烯電極的便攜式無(wú)線腦電采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)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(jì); 便攜式采集; 無(wú)線傳輸; 測(cè)試分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN103?34; TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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(dòng)產(chǎn)生的電位信號(hào)，是人體中重要的生物電信號(hào)，反映了大腦神經(jīng)元細(xì)胞體的生理活動(dòng)，蘊(yùn)藏了豐富的大腦活動(dòng)信息。腦電信號(hào)頻率主要集中在0.5～100 Hz，電壓幅值[1]為5～100 μV。腦電信號(hào)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(hào)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(hào)監(jiān)測(cè)中，頭皮腦電相對(duì)于顱內(nèi)腦電采集技術(shù)具備無(wú)創(chuàng)的優(yōu)點(diǎn)，用途更為廣泛。傳統(tǒng)的腦電信號(hào)采集設(shè)備雖然精度上能滿(mǎn)足醫(yī)療和科研等方面的需求，但是其體積比較大，價(jià)格昂貴，攜帶不便[3?4]。腦電采集需要專(zhuān)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(dòng)，故不適宜作為日常連續(xù)監(jiān)測(cè)的手段。采集時(shí)被試者并不是在真正的生活環(huán)境中，對(duì)于研究一些疾病的誘導(dǎo)因素帶來(lái)困難。此外，運(yùn)動(dòng)噪聲干擾及汗液短路使長(zhǎng)期動(dòng)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(jì)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(wèn)題，可以做到無(wú)違和感佩戴。同時(shí)相較于傳統(tǒng)的氯化銀電極，石墨烯柔性電極無(wú)毒無(wú)害且具有良好的生物相容性，長(zhǎng)期佩戴不會(huì)對(duì)皮膚造成損傷，因此適用于需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景。

針對(duì)傳統(tǒng)腦電采集設(shè)備的局限性，本文設(shè)計(jì)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(hào)的采集不再局限于醫(yī)院和專(zhuān)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(jì)，通過(guò)柔性石墨烯電極采集腦電信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(guò)SPI讀取放大器輸出的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)串口傳給無(wú)線模塊，無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)護(hù)終端設(shè)備，通過(guò)上位機(jī)可以查看數(shù)據(jù)并對(duì)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(cè)、疲勞駕駛檢測(cè)等需要長(zhǎng)期腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景[5]。采集終端設(shè)備具有采集時(shí)間靈活、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。配合石墨烯柔性電極實(shí)現(xiàn)無(wú)違和感檢測(cè)，克服了傳統(tǒng)濕式電極在長(zhǎng)時(shí)間佩戴時(shí)信號(hào)衰減、腐蝕皮膚、影響佩戴者日常生活等問(wèn)題。

2 ?石墨烯電極的設(shè)計(jì)

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(guò)程繁瑣，調(diào)整所需時(shí)間較長(zhǎng)，且佩戴不舒適。濕電極在長(zhǎng)期測(cè)量過(guò)程中隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)電膏脫水，采集到的信號(hào)出現(xiàn)衰減，對(duì)信號(hào)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(lái)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(duì)皮膚無(wú)刺激、無(wú)生理毒性的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)制作了可長(zhǎng)時(shí)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(guò)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(guò)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(shí)間推移導(dǎo)致的信號(hào)衰減問(wèn)題，適用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)腦電監(jiān)測(cè)。

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了研究石墨烯柔性電極對(duì)于腦電信號(hào)的檢測(cè)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(guò)固定長(zhǎng)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(hào)進(jìn)行對(duì)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(shí)前額處腦電信號(hào)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(wú)畸變，信號(hào)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(hào)。

為了評(píng)估長(zhǎng)期測(cè)量及磨損對(duì)采集腦電信號(hào)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(hào)，分析不同時(shí)間眨眼動(dòng)作時(shí)的腦電信號(hào)。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(zhǎng)時(shí)間接觸并未對(duì)其阻抗造成較大影響，說(shuō)明該電極具有良好的導(dǎo)電性及較高的時(shí)間穩(wěn)定性。圖3所示為第1天、第4天和第7天時(shí)測(cè)得的前額處眨眼時(shí)腦電信號(hào)以及與氯化銀電極的比較。結(jié)果表明，隨著時(shí)間的推移，所采集到的腦電信號(hào)振幅無(wú)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(cè)試結(jié)果表明石墨烯電極在長(zhǎng)期內(nèi)采集到的腦電信號(hào)穩(wěn)定，克服了大多數(shù)濕電極在長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)過(guò)程中存在的信號(hào)衰減問(wèn)題。

在電極長(zhǎng)期佩戴的過(guò)程中必然會(huì)存在和皮膚接觸摩擦的情況。為了測(cè)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(wàn)用表測(cè)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(cè)量時(shí)均測(cè)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(guò)圖4可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)1 000次的摩擦，石墨烯電極的阻抗變化小于18 Ω，相對(duì)變化率在13.95%以?xún)?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(cè)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(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出在此測(cè)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(duì)不同頻率生物電信號(hào)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(hào)的頻率成份以及各成份之間的相對(duì)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(hào)，在受到相同頻率的外界刺激時(shí)的頻域功率譜特性，通過(guò)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(jì)

腦電信號(hào)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(hào)時(shí)一般不止采集一個(gè)通道，通常需要同時(shí)采集多通道的信號(hào)。傳統(tǒng)腦電采集設(shè)備為了滿(mǎn)足腦電信號(hào)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(guò)大不利于便攜化，功耗高，并且大量的模擬電路會(huì)給采集系統(tǒng)帶來(lái)大量的噪聲等問(wèn)題。

4.1 ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文開(kāi)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(guò)石墨烯電極采集到腦電信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)調(diào)理、放大后通過(guò)SPI總線將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理后存入存儲(chǔ)卡，同時(shí)經(jīng)無(wú)線傳輸電路將采集到的信號(hào)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(shí)不會(huì)因?yàn)檫^(guò)充過(guò)放而對(duì)電池造成損傷。

4.2 ?模擬前端設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確地提取腦電信號(hào)，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(duì)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(jì)的模擬前端采用了ADS1299芯片，該芯片是專(zhuān)門(mén)為腦電信號(hào)采集而設(shè)計(jì)的，內(nèi)部集成的可編程放大器實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的放大[9]。ADS1299具有豐富的功能和很高的集成度，同時(shí)還具有極低的功耗，每個(gè)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(jì)參考電壓電路，通過(guò)式（1）可知，利用參考電壓[VLSB]可計(jì)算出電壓分辨率[VLSB]。本設(shè)計(jì)中參考電壓為4.5 V，當(dāng)[VLSB]=4.5 V時(shí)通過(guò)計(jì)算得到分辨率為0.536 μV。

通過(guò)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(hào)[11]一般為5～100 μV。所以采集到的腦電信號(hào)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(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

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(chǔ)和傳輸?shù)娜蝿?wù)。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)為電池供電的便攜式設(shè)備，所以在單片機(jī)選型時(shí)需要考慮功耗問(wèn)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(shí)也具有超低的功耗，動(dòng)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(guò)串口無(wú)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(jì)為8通道采集，采樣率為512 Hz，T=0.001 953 125 s，代入式（2）計(jì)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(mǎn)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(jì)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(cè)電極和無(wú)線模塊是否連接，若電極或無(wú)線模塊沒(méi)有連接則發(fā)出提示。待電極和無(wú)線模塊都連接好后，等待開(kāi)始采集指令，收到指令后進(jìn)行腦電信號(hào)采集并通過(guò)無(wú)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(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文利用石墨烯的優(yōu)良導(dǎo)電特性設(shè)計(jì)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(zhǎng)期與皮膚接觸時(shí)信號(hào)也不會(huì)出現(xiàn)衰減，可以滿(mǎn)足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求。采用柔性石墨烯作為腦電電極設(shè)計(jì)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(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)并提高了抗干擾能力，可以對(duì)腦電信號(hào)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(cè)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(mǎn)足作為便攜式腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行日常生活監(jiān)測(cè)，亦可以推廣應(yīng)用到科研、醫(yī)療、教育等多個(gè)領(lǐng)域中，對(duì)腦電信號(hào)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。

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