便攜式柔性石墨烯電極腦電采集系統

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知活動狀況，是腦疾病診治及認知神經科學的重要參數。基于頭皮腦電的腦電信號監測也是腦機接口的重要手段。該文開發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。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設計實現了便攜式低功耗無線腦電采集系統，能夠實現腦電信號的采集、處理、存儲和無線傳輸。對石墨烯電極的導電特性、耐久性、穩定性進行了測試并和商用氯化銀電極進行了對比。結果表明，文中開發的石墨烯電極能夠實現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。與皮膚連續摩擦接觸的測試結果表明，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量并沒有發生明顯變化。基于石墨烯電極的便攜式無線腦電采集系統數據采集準確可靠，設計合理，運行穩定，能夠滿足便攜式腦電采集設備的需要。

關鍵詞： 腦電采集系統; 石墨烯電極; 系統設計; 便攜式采集; 無線傳輸; 測試分析

中圖分類號： TN103?34; TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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，具有非常強大的功能和復雜的結構。腦電（EEG）是由大腦神經活動產生的電位信號，是人體中重要的生物電信號，反映了大腦神經元細胞體的生理活動，蘊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、認知科學、臨床腦疾病診療的重要載體[2]。以腦電為基礎的腦機接口（Brain Computer Interface，BCI）信號解析及設備智能控制是當今腦科學研究的熱點。

在腦電信號監測中，頭皮腦電相對于顱內腦電采集技術具備無創的優點，用途更為廣泛。傳統的腦電信號采集設備雖然精度上能滿足醫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]。腦電采集需要專業人員操作，被試者需要佩戴腦電帽并涂抹導電膏，容易產生不舒適感，且只能在醫院中進行采集，不能自由活動，故不適宜作為日常連續監測的手段。采集時被試者并不是在真正的生活環境中，對于研究一些疾病的誘導因素帶來困難。此外，運動噪聲干擾及汗液短路使長期動態頭皮腦電采集存在巨大的挑戰。隨著石墨烯材料的出現，利用石墨烯技術設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測的場景。

針對傳統腦電采集設備的局限性，本文設計高導電率、高穩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院和專業人員的操作，可以在日常生活中進行連續采集。在穿戴式設備、腦機接口、智慧健康養老等領域具有廣泛的應用前景。

1 ?系統整體結構

本系統的腦電采集終端采用便攜化設計，通過柔性石墨烯電極采集腦電信號，經過濾波預處理和ADS1299模擬前端的放大后將數據傳輸給單片機，單片機通過SPI讀取放大器輸出的數據，然后通過串口傳給無線模塊，無線模塊將數據發送到監護終端設備，通過上位機可以查看數據并對數據做進一步的分析處理。

本系統可用于睡眠監測、疲勞駕駛檢測等需要長期腦電信號監測的應用場景[5]。采集終端設備具有采集時間靈活、操作簡單的特點。配合石墨烯柔性電極實現無違和感檢測，克服了傳統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 ?石墨烯電極的設計

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

為了克服濕電極技術的諸多缺點，近幾年來基于非導電膠/膏的干電極和半干電極技術成為研究熱點。利用石墨烯的導電性和良好的生物相容性，對皮膚無刺激、無生理毒性的優點，本文設計制作了可長時間佩戴及反復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。因為電極本身為干電極，不存在傳統的濕電極隨著時間推移導致的信號衰減問題，適用于長時間連續腦電監測。

3 ?實驗結果與討論

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，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，連續采集了7天內電極的阻抗值，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天內的特征阻抗即變化率曲線，詳細數據的記錄如表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電性及較高的時間穩定性。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，波形也未出現基線漂移。圖中振幅的細微偏差是由于電極與皮膚接觸壓力不同導致的接觸阻抗差異引起的。

本實驗測試結果表明石墨烯電極在長期內采集到的腦電信號穩定，克服了大多數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。為了保證數據的準確性，每次數據測量時均測量8次，取其平均值記錄。實驗收集了反映其阻抗變化情況的21組數據。

通過圖4可見，經過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，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之間頻率范圍內的阻抗數據，通過測試數據可以看出在此測量區間石墨烯阻抗值從80 Ω逐漸變化到115 Ω左右。在較寬的頻率范圍內具有較高的導電性，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弱，揭示腦電節律分布與變化情況。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的功率譜基本一致。

4 ?腦電采集硬件設計

腦電信號具有幅值微弱、隨機性強、容易受到干擾（尤其易受到50 Hz的工頻干擾）等特點[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。傳統腦電采集設備為了滿足腦電信號采集的要求往往采用復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帶來大量的噪聲等問題。

4.1 ?硬件系統設計

本文開發的便攜式腦電采集系統，硬件系統框圖如圖7所示。通過石墨烯電極采集到腦電信號經過低通濾波和工頻濾波的預處理后送入ADS1299模擬前端，ADS1299將信號調理、放大后通過SPI總線將數據傳輸給單片機，單片機對數據進行簡單的處理后存入存儲卡，同時經無線傳輸電路將采集到的信號傳輸到手機、平板電腦等終端設備。系統采用鋰電池供電，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，同時不會因為過充過放而對電池造成損傷。

4.2 ?模擬前端設計

為了準確地提取腦電信號，腦電采集設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的特點[8]。本文設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計的，內部集成的可編程放大器實現微弱信號的放大[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內具有基準電壓和板載振蕩器，所以不再需要單獨設計參考電壓電路，通過式（1）可知，利用參考電壓[VLSB]可計算出電壓分辨率[VLSB]。本設計中參考電壓為4.5 V，當[VLSB]=4.5 V時通過計算得到分辨率為0.536 μV。

通過調節芯片內部的可編程放大器，可使得采樣數據分辨率達到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行放大處理即可直接進入ADS1299。

4.3 ?單片機和無線傳輸模塊設計

單片機作為整套系統的核心部分承擔著數據采集、處理、存儲和傳輸的任務。因為本設計為電池供電的便攜式設備，所以在單片機選型時需要考慮功耗問題。本文選擇了低功耗的STM32L051系列單片機作為主控芯片。STM32L051是基于Arm? Cortex? M0+內核的超低功耗32位單片機，具有豐富外設的同時也具有超低的功耗，動態運行功耗低至49 ?A/MHz，適用于電池供電設備。

本系統中單片機將采集到的腦電數據通過串口無線模塊進行傳輸，傳輸速率為：

式中：data為每秒傳輸的數據位;T為采樣周期;ch為腦電電極的導聯數量[11]。本設計為8通道采集，采樣率為512 Hz，T=0.001 953 125 s，代入式（2）計算得出數據傳輸速率為98 304 bit/s。所以傳輸速率只要達到115 200 bit/s即可滿足系統的傳輸要求。

4.4 ?軟件處理流程

系統的軟件設計流程如圖8所示。采集設備接通電源后進行系統初始化，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，收到指令后進行腦電信號采集并通過無線模塊按照數據傳輸協議將數據傳輸到上位機，同時將數據存儲到SD卡。

5 ?結 ?語

本文利用石墨烯的優良導電特性設計制作了基于柔性石墨烯電極的便攜式腦電采集系統。石墨烯電極具有良好的導電性、生物相容性、耐摩察性，長期與皮膚接觸時信號也不會出現衰減，可以滿足長期監測的要求。采用柔性石墨烯作為腦電電極設計了便攜式腦電采集系統。利用高集成度的ADS1299作為模擬前端，極大地簡化了電路設計并提高了抗干擾能力，可以對腦電信號進行高精度、低噪聲的采集和處理，系統穩定可靠，電路板體積小。實驗測試證明，石墨烯電極采集到的數據穩定準確，系統運行平穩，可以滿足作為便攜式腦電信號監測設備進行日常生活監測，亦可以推廣應用到科研、醫療、教育等多個領域中，對腦電信號相關的研究與腦電相關醫療器械的研發具有較大的意義。

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