EEG系統參考電極電路分析

李力嘉 伍玥

摘要：參考電極電路一直都是醫用電子儀器課程的教學難點，同時相關教材一直缺乏對該電路進行詳細的描述，同時對內置參數的選擇也沒有很詳細的說明，對此，本文將基于腦電系統普遍采用的參考電極電路，分析該電路的特性即相關參數選擇的原因。

關鍵字：ETI;CMPdL;接觸阻抗;DILL

有兩個因素限制了實際應用中醫用電子儀器系統的CMRR值，它們分別是：組織

電極問阻抗（ETI）失配和電極的前置放大增益失配。由于EEG信號需要電極采集并需要通過導聯線傳輸到后級系統，故這期間的器件失配將導致整個系統的CMRR降低。而器件的失配是不可避免的，故為了增大CMRR，需要在共模信號的干擾路徑上想辦法。參考電極電路就是一種用于增強CMRR的電路，它通過將共模輸入信號通過參考電極反饋到檢查者以抵消人體共模信號的大小來實現對共模信號的抑制作用。

參考電極電路的分析：

但作為用于人體生物電測量的醫療電子儀器，由于需要將電極直接與人體相連，必然使得人體成為測量電路的一部分，即有電流流過人體，這就存在對人體產生致命威脅的可能性。故GB9706.1-1995、2007標準規定了設備的患者漏電流以及患者輔助電流的交流電流不得超過0.1mA。因此，對于參考電極電路，引共模信號返回人體，更需要限制電流在0.1mA，以保障人體安全。一般，持續時間小于200ms時，5mA（60Hz）的電流并不會引起室顫，這對于50Hz信號同樣適用。GB 9706.1所規定的0.hnA的安全電流指最大平均電流，瞬時電流只需要不超過5mA即可。

結合上述人體安全電流可知，Ro的選取需要以安全電流為標準。一方面需要要保證最大電流在5mA以下，同時需要讓最大平均電流小于0.1mA。一般地Ro的需大于100kΩ。表1給出了當G 100時，Ro取不同值時參考電極電路的工作狀態。to，t1分別對應電路的初始狀態和建立穩態時間。表1G固定為100，Ro取不同值時參考電極電路工作狀態

參照表1，為了使Ko的取值在100-500kΩ之間，參考電極電路中的Ro取值取在200kΩ左右。

由式3可知，理想狀態下G的取值越大，共模衰減越理想。結合圖1可知，G=R3/R4。由此R4越小，Rs越大，則G越大。但是R4過小，會在其上造成過多的功率損耗（電流增大導致），而Rs過大又容易引入外界噪聲（單純的電阻在反相放大器中會額外放大環境噪聲），同時由于實際運放的開環放大倍數有限，過大的G值會導致參考電極電路不工作。故，綜合考慮，R4的取值一般取10kΩ左右，而若用純電阻，則R3的值一般不超過1MΩ。同時，當采用干電極時，如果電極偏移和電極阻抗失配同時存在時，在100kΩ-10MΩ這么大阻抗范圍內，保證回路的穩定會變得非常困難。故，可以將R3更換為一個小值電容（一般在幾個nF范圍），利用容抗實現反饋，一方面滿足低頻的放大G值，一方面避免了高頻信號的引入。介于此，Ro的取值也可以不采用單純的大電阻，可以在電阻上并接一個小電容，以實現高阻抗，從而可以避免環境噪聲的引入。

參考電極電路與使用在心電圖機上的右腿驅動電路（DRL）類似，由于其在共模信號抑制上的作用突出，故常在采用電極和導聯線檢測生物信號的儀器上。在傳輸生物電信號時，由于生物電信號非常微弱，傳輸電纜均采用有屏蔽層，屏蔽層可以屏蔽外界電磁干擾，但是屏蔽層與芯線之間的分布電容也會引入干擾，此時需要引出參考電極電路跟隨器輸出反饋到屏蔽層，使屏蔽層電位抬高到與放大器內部輸出電位，從而大大降低分布電容的影響。對此，多家芯片商給出了具體的解決方案（但多針對的是DRL電路），其實質就是在DRL電路上多引出一個輸出線給屏蔽層。如TI公司就在其INA118的芯片資料里給出的DRL電路原理圖。由于電路原理相同，故EEG的參考電極電路可參考此類解決方案加以改進設計。