葉繼倫，魏蘭蘭，王 凡，宋艷濤，張 旭

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

基于腦電采集系統(tǒng)的阻抗檢測(cè)方法研究

【作 者】葉繼倫1，魏蘭蘭1，王 凡1，宋艷濤1，張 旭2

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

在生物電信號(hào)測(cè)量中，電極阻抗檢測(cè)是評(píng)價(jià)提取信號(hào)質(zhì)量，傳感器電極接觸情況的一個(gè)重要指標(biāo)。該文基于腦電測(cè)量平臺(tái)，提出一種準(zhǔn)確檢測(cè)電極阻抗的方法，該方法基于恒流源激勵(lì)信號(hào)加入人體，通過監(jiān)測(cè)在人體端分壓值，來測(cè)量電極阻抗，并且在不同區(qū)間采用不同參考電阻進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，減少恒流源精度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量準(zhǔn)確性。

電極阻抗檢測(cè)；恒流源激勵(lì)；校準(zhǔn)計(jì)算

0 引言

生物電阻抗檢測(cè)在生物電測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用，特別是腦電、心電、肌電等生物電信號(hào)采集系統(tǒng)中。在生物電采集系統(tǒng)測(cè)量中信號(hào)質(zhì)量的好壞很大程度取決于電極與病人的接觸阻抗。電極阻抗越大，表示電極與病人接觸不好，測(cè)量的可靠性越低。電極阻抗越小，表示電極與病人接觸越可靠，提取的信號(hào)質(zhì)量也越好。在腦電、心電系統(tǒng)中如果電極松動(dòng)或者脫落，會(huì)很大程度影響信號(hào)的提取，因此對(duì)電極與病人接觸阻抗的監(jiān)測(cè)在腦電、心電測(cè)量中有著重要的意義。

生物電阻抗檢測(cè)技術(shù)是一種無損檢測(cè)技術(shù)，它的基本原理是通過檢測(cè)生物組織與器官的電特性（阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù)等）及其變化，從而提取出與人體生理、病理狀況有關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息，為臨床診斷與治療提供參考指標(biāo)[1]。通常采用的方法為伏安法，是將微小的交變電流（或電壓）信號(hào)通過置于體表的激勵(lì)電極注入被測(cè)對(duì)象，同時(shí)通過特定位置處的測(cè)量電極檢測(cè)出被測(cè)對(duì)象表面的電壓信號(hào)，根據(jù)歐姆定律，來計(jì)算人體阻抗。然而這種方法容易受到恒流源信號(hào)的精度和噪聲的干擾，而且要設(shè)計(jì)出高精度恒流源和減少系統(tǒng)噪聲干擾是比較困難的。

本阻抗檢測(cè)測(cè)量方法基于麻醉深度監(jiān)測(cè)的腦電研究平臺(tái)。阻抗檢測(cè)是腦電測(cè)量中一個(gè)重要組成部分，通過對(duì)阻抗的測(cè)量，來衡量腦電電極與病人接觸情況[2]。本方法在伏安法基礎(chǔ)上做改進(jìn)，加入?yún)⒖茧娮枳杩贡O(jiān)測(cè)進(jìn)行校準(zhǔn)，能夠很好地提高測(cè)量的精確性和準(zhǔn)確性，確保腦電電極阻抗監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，為腦電信號(hào)質(zhì)量評(píng)估提供一個(gè)好的保障[3]。

1 測(cè)量系統(tǒng)框架

本電極阻抗測(cè)量系統(tǒng)主要包括恒流源激勵(lì)產(chǎn)生模塊。恒流源激勵(lì)通常產(chǎn)生一個(gè)微弱電流，在這里我們采用1.6 μA，頻率200 HZ的恒流源激勵(lì)信號(hào)，通過測(cè)試電極激勵(lì)到病人[4]，反饋回來進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓監(jiān)測(cè)。反饋回來的電壓是很微弱的，通常只有幾十到幾百mV。因此這里需要對(duì)反應(yīng)阻抗信息的電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊，得到數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過MCU處理計(jì)算出測(cè)量結(jié)果，發(fā)送到PC機(jī)上顯示。具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 阻抗檢測(cè)部分系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The system of impedance detection

2 測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本阻抗測(cè)量系統(tǒng)主要包括激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路，恒流源產(chǎn)生電路，開關(guān)控制阻抗檢測(cè)通道電路，阻抗信號(hào)放大濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路和MCU部分，電路原理示意如圖2所示。

圖2 電路原理示意圖Fig.2 The circuit schematic

3 測(cè)量方法

3.1 測(cè)量過程

測(cè)量過程示意圖如圖3所示。

圖3 測(cè)量過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of the measurement process

當(dāng)開關(guān)K0閉合，K1斷開時(shí)，通過MCU控制多項(xiàng)選擇開關(guān)的指向，當(dāng)開關(guān)選擇d0時(shí)恒流源激勵(lì)信號(hào)導(dǎo)入Z1電極 ，由公共電極Zc電極信號(hào)導(dǎo)出至接地。由于有電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)電壓值進(jìn)行放大濾波電路之后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換。此時(shí)可以得到監(jiān)測(cè)電壓和監(jiān)測(cè)阻抗的關(guān)系如公式一所示：

其中Uz1為Z1和Zc的聯(lián)合阻抗對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)的電壓值，I為恒流源激勵(lì)信號(hào)電流。

同理通過MCU控制多項(xiàng)開關(guān)選擇器分別導(dǎo)向的d1，d2，d3，可以得出：

當(dāng)開關(guān)K0斷開，K1閉合時(shí)，MCU控制多項(xiàng)選擇開關(guān)指向d1，可以得到：

這樣聯(lián)合方程(1)～(5)可以得到每個(gè)電極對(duì)應(yīng)的電極接觸阻抗Z1，Z2，Z3，Z4，Zc。因此，本測(cè)量方法只需MCU對(duì)多項(xiàng)選擇開關(guān)的控制就能實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)電極接觸阻抗的監(jiān)測(cè)[5]。

當(dāng)MCU控制多項(xiàng)選擇開關(guān)指向d4，d5時(shí)，這時(shí)可以得到監(jiān)測(cè)電壓：

我們利用Rref1, Rref2這兩個(gè)參考電阻來對(duì)電極阻抗值進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，這樣就很大程度上提高了本系統(tǒng)電極阻抗測(cè)量值得精度，減少了恒流源精度和系統(tǒng)噪聲等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。下面將詳細(xì)介紹本系統(tǒng)采用的計(jì)算方法。

3.2 計(jì)算方法

為了減少恒流源信號(hào)的精度和不穩(wěn)定性的影響，在計(jì)算上引入?yún)⒖茧娮鑱磉M(jìn)行校準(zhǔn)。若待測(cè)阻抗Zx，對(duì)應(yīng)電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行放大濾波后對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換值Sx，參考電阻對(duì)應(yīng)采樣值S1，則有：

這樣只需要通過監(jiān)測(cè)電壓對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，就可以很簡(jiǎn)單得出檢測(cè)阻抗值。由于本系統(tǒng)要求電極阻抗檢測(cè)范圍為(0～100) k?，我們?cè)?0～50) k?和(50～100) k?選用不同校準(zhǔn)電阻來進(jìn)行參考計(jì)算。這樣解決了檢測(cè)阻抗值對(duì)激勵(lì)信號(hào)源精度和誤差帶來的影響，提高了檢測(cè)阻抗計(jì)算的準(zhǔn)確性[6]。

3.3 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本測(cè)量方法的準(zhǔn)確性，將兩電極接入不同阻值的電阻進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。分別加入2.2 k?、4.7 k?，9 k?、15 k?、20 k?、27 k?、49 k?、68 k?和100 k?電阻進(jìn)行阻抗檢測(cè)。檢測(cè)阻抗值（由于本系統(tǒng)電極間外圍電阻有4.6 k?，檢測(cè)阻抗值為電極間阻抗值和外圍電阻值的總和）和實(shí)際計(jì)算阻抗值結(jié)果如圖4擬合結(jié)果所示。

A Method for lmpedance Measurements Based on EEG Acquisition System

【 Writers 】Ye Jilun1, Wei Lanlan1, Wang Fan1, Song Yantao1, Zhang Xu2
1 Institute of Biomedical Engineering, School of Medicine, Shenzhen University, Shenzhen, 518060
2 Guangdong Key Laboratory of Biomedical Signal Detection and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

【 Abstract 】In the bioelectric measurement, the electrode impedance detection is an important index to the signal quality evaluation and sensor electrode contact condition. In this paper, a method of accurately measuring the electrode impedance based on EEG measurement system was put forward, the method is based on the constant current source excitation signals which are added to the human body, by monitoring the human voltage to measure the electrode impedance. And different reference resistor calibration calculation in different sections was used to reduce the effect of constant current source on the precision of measurement results to improve the measurement accuracy.

electrode impedance measurement, constant current source excitation, calibrate calculation

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.04.002

2014-02-12

深圳市科創(chuàng)委項(xiàng)目（SW201110039，SDSY20120612094855904）

葉繼倫，E-mail: yejilun@126.com

張旭，E-mail: zhangxu729@hotmail.com

1671-7104(2014)04-0240-02