高職教學中EEG系統前級緩沖電路的分析教學思考

李力嘉 毛政凱

摘? ? 要：腦電信號采集的前級緩沖電路在實際的教學過程中不是一個教學難點，但是確實分析實際復雜電路的一個切入點和引導學生如何將理論知識和實際問題想聯系的一個很好入門的橋梁。本文將對這一電路按照引導學生掌握電路拓撲及參數選擇的原因的思路進行分析，以提供一種教學過程的參考。

關鍵字：等效電路;濕電極;極化電壓;阻抗

一、引言

體表腦電圖通過電極與頭皮接觸采集腦電信號，在此過程中，皮膚和電極之間會產生極化電壓，該電壓可以用一個復阻抗和一個直流電壓源進行等效，如圖1所示。通過該等效電路可以計算出各個不同電極連接形式的阻抗，如圖2所示。

可見，在滿足用戶舒適度的同時，需要犧牲信號質量，這也是現有的EEG系統所面臨的主要缺陷，不過所有的工業設計都是多種利弊權衡取舍的結果。正如在臨床上應用最為廣泛的是濕電極，濕電極利用導電凝膠可以有效地降低皮膚與電極之間的接觸阻抗，同時可以降低由導聯電纜移動造成的偽影。濕電極的使用需要備皮，并需要專業人員進行電極的安裝，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的質量，卻嚴重降低了病患的舒適度，對于需要長期監護采集的情形更是不方便，適合于在醫院使用，在穿戴式便攜設備上卻不適合。

因此接收折中是必須的，同時也要有針對缺陷的解決辦法。前級緩沖電路就是其中的一個，它從輸入級開始提升系統獲取信號的能力。在實際教學過程中，學生不能很好的理解折中的設計思想，針對緩沖級電路，對其構成和參數的選擇均不是特別清楚。對此本文將對此做較為詳盡的分析，以為各學校課程教學提供參考。

二、前級緩沖電路的結構選擇及參數選擇分析

前級緩沖幾乎是所有低頻小信號檢測電路所必須的電路結構。人體生物電信號源自細胞跨膜物質轉移中產生的離子動作電位，而相應信號傳播到體表會被更加削弱。當從人體中檢測獲取生物電信號時，人體對于外界電路可以等效為一個有內阻的信號源。回顧圖1和圖2，用于測量生物電信號的測量電極會表現出一個很高的阻抗特性，而信號通過測量電極，最終是需要后續電路進行處理，故此處將電極及人體整體當做后續電路的信號源，而后續電路等效為該信號源的負載。如圖3所示等效電路。

圖中，Vsignal表示人體內產生的生物電信號，電極以濕電極為例，由圖2可知，該情況下電極阻抗約為100kΩ，按照圖中設置的信號參數，該信號的峰值為10μV，則其有效值約為7.071μV。RL表示后續電路的等效負載阻抗。此時，根據不同的RL值，測量RL上信號電壓有效值，可得表1所示數據。

可見，對于后續電路而言，欲得到更好的信號質量，保障處理信號質量，需要后續電路有較高的輸入阻抗。而單純地使用無源器件增大輸入阻抗會造成過多的損耗。對此，運放的高輸入阻抗可以有效地解決這一問題。運放的同反相組態可以分析如下。圖4、5分別是反相放大器和電壓跟隨器，圖6、7分別是兩個電路的等效電路。

顯然，圖4、5所示電路滿足運放的線性區工作條件，因此運放的分析可以按照虛短、虛斷進行分析。由圖6、7所示等效電路可見，對于反相放大電路，其輸入阻抗可約等于R1，而電壓跟隨器輸入阻抗為運放同相端輸入阻抗。理想狀態下，電壓跟隨器輸入阻抗為無窮大，對于實際運算放大器，該輸入阻抗也在GΩ的量級，完全滿足生物信號檢測對前級輸入阻抗的要求。在實際教學過程中，通過上述分析可以讓學生知其然又知其所以然，比生硬地給出電路結構更容易讓學生理解，同時通過這種方式，可以引導學生去分析由于前級緩沖電路故障而出現的電路故障現象及思考排除方法，容易和基于工作過程的教學模式聯系起來。

三、結語

在醫療電子儀器的教學中，涉及到很多實際電路的教學，我們不但需要分析電路自身的原理問題，更應該引導學生養成實際工程中的分析思想，讓學生懂得折中取舍是工程設計的關鍵，里面凝聚了工程師的扎實的理論基礎和豐富的經驗，而不是理論知識的生搬硬套。前級電路雖然簡單，但是其分析思想卻是分析實際復雜電路的一個切入點和引導學生如何將理論知識和實際問題想聯系的一個很好入門的橋梁，同樣值得我們關注與重視。