基于章魚吸盤柔性干電極的可穿戴腦電采集系統

宋振宇, 申跟財, 劉景全

(上海交通大學 微納科學技術研究院 微米/納米加工技術國家重點實驗室薄膜與微細技術教育部重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

腦電(electroencephalograph,EEG)信號的采集和分析已經在許多領域給人類的生活產生了重大幫助。例如對帕金森和癲癇等生理疾病的檢測[1],對抑郁癥和失眠癥等心理疾病的檢測[2],以及對疲勞狀態和情緒的實時狀態的檢測[3]。隨著未來對人腦的深入理解,腦電信號在腦機接口和智能控制領域有著越來越重要的作用[4～6]。

腦電采集中采用最廣的濕電極采集過程中所使用的導電膏可能會對皮膚產生刺激,不利于清洗,并且長時間使用后由于導電膏脫水變干會導致信號質量變差。而濕電極以外大部分的干電極要通過擠壓的方式來和皮膚緊密基礎來獲得[7,8],這會給人帶來很大的不適感。因此，越來越多的研究利用生物的仿生結構,來制備一些易于吸附的器件[9～11]。

本文制備了一種基于章魚吸盤仿生結構的腦電電極,其在柔性干電極的周圍加入了章魚仿生結構的吸盤,使其可便捷舒適地吸附在前額和其他少發區域,采集腦電信號,并且易于剝離,可重復使用。同時搭建了無線腦電采集系統,可以實時顯示、存儲腦電信號。本文系統可以有效采集腦電信號,同時對于信號幅度更大的心電和肌電等其他生物電信號也可以進行采集[12,13]。

1 電極與工藝

1.1 理論分析

首先，對章魚吸盤吸力的產生原因進行分析,將該章魚仿生結構和界面接觸到之間產生吸力的過程主要分為圖1中的3個階段：第一階段施加一個壓力Fp使結構的內部體積逐漸變小,結構中的液體也達到了最小。第二階段由于章魚仿生結構具有彈性,其被收縮擠壓,直到圓頂狀微結構和相鄰側壁接觸,將整個結構分成上部(C1)和下部(C2)兩個腔室。之后由于內部的毛細管作用,該毛細管力將殘余液體抽向腔室C1。第三階段,在去除外部壓力Fp之后,液體分子的內聚力使腔室C1閉合。在上腔室C1充滿液體分子后,彈性松弛可以使下腔室C2中產生一個相對于外界環境壓強(ΔP0)極低的壓強(幾乎產生真空狀態,ΔPmax=ΔP0-ΔPC2)，由于下腔室C2的壓強很低,所以,其與外界環境壓強(ΔP0)的壓強差ΔPmax很大,產生的壓力也就很大。可以得到吸力的計算公式為

圖1 吸力產生原理分析

σ=-ΔPmaxπr2κn

(1)

式中 πr2為每個結構的接觸面積,κ為該結構的效率;n為每單位面積的章魚吸盤的仿生結構數。

由此可以得知吸力主要依靠上下腔室分割,上腔室吸入下腔室的液體,使下腔室的壓強達到一個很低的值,從而和外界產生一個大的壓強差來產生吸力。所以，所設計的結構需要球體直徑和外壁的間隔足夠小,在擠壓時易于和外壁接觸從而將章魚吸盤內部分割為上下兩個腔室,進而產生吸力。

1.2 加工工藝

根據這一原理繪制出了所制備的吸盤結構,整體圓柱高0.8 mm,直徑1 mm,中間突出的球直徑為0.8 mm,所以，其和外壁之間的最小間距為0.1 mm，使其可以在擠壓過程中可以和外壁接觸,形成上腔室,從而產生一個較大的壓強差來產生吸力。

首先繪制出章魚吸盤結構的逆結構3D模型如圖2(a)所示,并在中央空出之后安放電極的空間,模具的整體結構如圖2(b)所示，之后采用3D打印精度最高的材料紅蠟進行3D打印,就完成了倒模模具的制備。

圖2 紅蠟(red wax)模具微觀3D結構和宏觀結構

吸盤電極的制備流程圖如圖3(a)所示,a.3D打印的紅蠟模具。b.為防止倒模時倒模材料和紅蠟反應,同時為了幫助脫模,在3D打印的紅蠟材料上沉積一層5 μm的派瑞林(prylene)。c.電極部分使用柔性FPC加工的鍍金點電極,其直徑為0.5 cm,和模具中央空出的位置相匹配,將電極放置于模具中央。d.將共聚酯(ecoflex)-A溶劑和Ecoflex-B溶劑1︰1混合均勻并抽真空,倒在模具上放入干燥箱在60℃的條件下干燥4 h進行倒模。e.將章魚吸盤電極從模具上剝離。制備出的吸盤電極實物圖如圖3(b)所示。

圖3 吸盤電極的制備流程和實物

2 腦電采集系統

2.1 系統整體結構

可穿戴式腦電采集系統框架如圖4所示,系統可分為采集發送端和接收顯示端兩部分,采集發送端由章魚吸盤電極,ADS1299模擬前端模塊,ZYNQ數據處理與控制模塊,ESP8266 WiFi發送模塊和電池組成,接收顯示端為電腦上位機接收顯示程序。

圖4 系統框架示意

2.2 采集發送端

系統采用TI公司的集成模擬前端芯片ADS1299實現信號采集及模數轉換,ADS1299具有8個低噪聲可編程增益放大器(PGA,放大倍數1～24倍)和8個高分辨率(24位)同步采樣模數轉換器。具有極低的等效輸入噪聲1.0 μVpp,低輸入偏置電流(300 pA),250 Hz～16 kHz可調采樣率。其直流輸入阻抗達1 GΩ以上,適合接觸阻抗較高的干電極使用。目前已廣泛應用于腦電、心電等生物電信號的采集。ADS1299的輸入端具有2個參考輸入引腳,通過編程控制8個輸入端可在差分輸入與單極輸入間切換,適合不同生理信號采集模式。同時,ADS1299具有輸出偏置引腳,可以有效減少共模信號干擾。ADS1299 采用SPI通信協議進行配置和數據傳輸,可進行連續采集和可控單次采集。將其配置為連續采集模式,當完成一次采樣時,通過IO輸出信號給控制器提示采樣完成。ADS1299采用TQFP—64封裝,尺寸僅為12 mm×12 mm,其高集成度可大大減少分立器件的數量,非常有利于系統的小型化。其電路設計如圖5所示。

圖5 ADS1299外圍電路設計

無線發送模塊使用了樂鑫公司的ESP8266采用WiFi傳輸,ZYNQ通過SPI接口向無線模塊發送數據SPI接口的時鐘速率為20 MHz,對其完成初始化配置之后,通過SPI接口向其發送數據,即可實現WiFi無線傳輸,WiFi模塊的最大穩定傳輸速率可以達到5 Mb/s。

主控芯片采用的是Xilinx公司的ZYNQ系列,ZYNQ芯片內包含一個豐富特性的基于雙核ARM Cortex—A9的處理子系統(processing system,PS)和Xilinx 28nm可編程邏輯(programmable logic,PL)。PS除了核心外還包括片上存儲器、外部存儲器接口以及大量外設連接接口。程序流程如圖6所示,首先,完成對要使用的SPI模塊、GPIO中斷控制模塊進行初始化,之后對ADS1299采樣模塊和WiFi發送模塊進行初始化配置,之后,根據ADS1299的指示采樣完成的IO端口信號觸發中斷,控制SPI接口讀取腦電數據,經過PL部分實現50 Hz的陷波濾波處理,濾除50 Hz工頻噪聲后，存儲在發送數據包的相應位置,并腦電采樣完成次數進行計數。當腦電采樣10次后,將其清零,并將整個數據包發送給無線模塊,通過WiFi傳給電腦。

圖6 程序流程

供電系統由3.7 V鋰電池供電,產生3.3 V供給ADS1299的數字電源輸入端、ZYNQ和WiFi模塊同時產生±2.5 V供給ADS1299的模擬電源輸入端，3.3 V電源使用CJA1117。由于ADS1299的模擬電源作為模數轉換器的參考電壓,其噪聲對于腦電信號的采樣精度有著重大影響，所以2.5 V電源采用TI公司的LP5907—2.5超低噪聲低壓差穩壓器,輸出電壓噪聲小于6.5 μVpp,可提供最大250 mA電流。由于 ADS1299的模擬電源輸入要求正負電源供電,因此，供電系統使用TI公司的TPS60403充電泵電壓反相器,獲得-3.3 V電壓，再由TPS72301負輸出低壓差線性穩壓器輸出-2.5 V電源。電源模塊采用的線性穩壓器及電壓反向器皆為SOT—23小尺寸封裝,其長寬為2.90 mm×1.60 mm,有利于系統的小型化。

電路板采用了模數隔離的思想進行設計,減少數字部分對模擬部分的影響從而提高采樣精度,實物如圖7所示,采用上下兩層拼接的方式來減小尺寸,上層板為主控芯片ZYNQ部分,下層底板為ADS1299和無線發送模塊,整體的大小為52 mm×35 mm×12 mm,重量19g,滿足可穿戴采集的要求。

圖7 發送端實物

2.3 接收顯示端

系統接收端為電腦的上位機接收程序,無線WiFi模塊在無遮擋空間內有效傳輸距離為15 m。電腦連接上采集發送端所創建的WiFi熱點后,運行通過Python編寫的顯示接收程序,即可實時讀取,顯示及存儲數據。可對存儲的腦電信號數據進行后續的分析處理算法。

3 實驗結果與討論

3.1 章魚吸盤電極的力學性能測試

首先，針對本文中提出的章魚仿生結構所帶來的吸力進行測試,將制作的吸盤電極吸附于平面上,用拉力測試系統測試，將其剝離所需的最小拉力為65 N。該測試結果表明，其可以滿足在測試過程中發生輕微擾動時電極吸附的穩定性,使整個采集過程保持穩定。

對章魚吸盤電極的連續吸附次數進行測試,將電極吸附于人體前額處,剝離,等待10 s,記為1次。經測試該電極可連續吸附53次，滿足對其可重復使用的要求。

3.2 章魚吸盤電極的電學性能測試

對該電極的信號質量進行測試,如圖8所示,章魚吸盤結構電極的采集結果與標準商用濕電極的采集結果進行對照。試驗中,采用在鄰近位置( 兩電極相鄰放置,相鄰電極中心距小于2 cm)，同時并行獲取頭皮電位,2個電極均安放在前額的Fp1區域,2種電極使用同一個參考電極安放在左耳耳垂位置; 同一個地電極安放在右耳耳垂位置,參考電極和地電極均使用標準商用Ag/AgCl濕電極。受試者是23歲身體健康的男性。使用研發的無線腦電采集系統,采樣頻率設為1 kHz,在電腦上運行上位機接收軟件,顯示并存儲采集得到的腦電信號,之后用MATLAB軟件對存儲的腦電信號進行分析。

圖8 測試實拍

對前額睜眼和眨眼的腦電信號進行測試,睜眼采集 2 s的腦電信號,章魚吸盤結構電極和商用Ag/AgCl濕電極的時域和頻域波形如圖9(a)和圖9(b)所示。之后測試3 s內眨眼3次的腦電信號的時域和頻域波形如圖9(c)和圖9(d)所示,其中時域波形圖的橫坐標的單位為毫秒(ms),縱坐標單位為毫伏(mV),頻域波形的橫坐標的單位為赫茲(Hz),縱坐標單位為微伏的平方每赫茲(μV2/Hz)。采集效果和Ag/AgCl濕電極相當證明了章魚吸盤電極可以良好的采集到腦電信號。

圖9 測試結果

4 結 論

本文研制了基于章魚吸盤柔性干電極的可穿戴無線腦電采集系統。將干電極和章魚的吸盤結構相結合,使得該電極具有良好的吸附能力,且易于剝離,可多次重復使用,同時其信號質量也和標準商用Ag/AgCl濕電極相當,解決了濕電極需要涂抹導電凝膠和普通干電極擠壓所帶來的不適感等問題。同時研發了無線腦電采集系統,系統采用高性能的ZYNQ作為數據處理與控制模塊,可擴展能力強,采用WiFi無線傳輸協議。整個系統大小為52 mm×35 mm×12 mm,重19 g,滿足了可穿戴腦電采集的需要。