EEG檢測芯片系統傳感器模塊綜述

傳感器技術 2023-04-07 07:03

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腦電（EEG）信號與生物體的生命狀態密切相關，其具有非線性、幅值低、頻率范圍低、噪聲強、隨機性強等特點。隨著醫學、神經科學、認知心理學、微電子技術、人工智能研究等學科與技術的迅速發展，EEG信號的檢測發揮著越來越重要的作用。EEG信號是腦神經細胞電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映，作為人體體征信號中的一種典型信號，其包含了大量的神經電生理信息。對EEG信號進行采集與分析，一方面，對于臨床醫學尤其在抑郁癥、癲癇、腦腫瘤、癡呆等諸多神經系統疾病的臨床診斷中發揮著重要作用；另一方面，在腦科學研究與工程應用方面，EEG信號檢測設備與人工智能（AI）技術相互融合促進，例如研究人員正在嘗試通過提取EEG信號有關特征以實現腦機接口（BCI）通訊閉環控制。然而EEG信號是低頻率低幅值的非平穩隨機信號，很容易受到頭皮與傳感器之間接觸狀態的影響以及來自環境噪聲等各類背景噪聲的干擾，因此這些微弱的EEG信號需要被放大并進行一系列抗噪聲處理。

因此基于EEG傳感檢測芯片構成的便攜可穿戴EEG信號檢測微系統有著良好的研發和應用前景，具有廣泛的醫學意義。文章對EEG檢測芯片系統傳感器模塊進行了綜述。

電極能夠從頭皮表面獲取EEG信號，在EEG信號檢測過程中發揮著重要的作用，其主要分為濕電極和干電極。傳統的EEG信號采集方法通常使用濕接觸電極，濕電極多年來一直是記錄頭皮表面EEG信號的最常用設備，然而這需要操作員花費時間將導電凝膠涂抹到每個測試位置，使用后凝膠的清理過程對于受試者來說也比較痛苦。因此，濕接觸電極的使用過程非常繁瑣，不方便神經系統疾病的診斷，特別是在需要長時間記錄EEG信號的情況下（長時間使用的情況下導電凝膠會脫水凝固），所以傳統濕電極不適合可穿戴EEG檢測設備或系統。

為了克服傳統濕電極的缺點，各類的新型干電極被研發出來，這些設計在消除電極對電解凝膠依賴的同時保證了低接觸阻抗和良好的信噪比。根據電極與頭皮的接觸方式與程度進行分類，干電極主要分為兩大類：（1）干接觸電極，可以進一步被分為有創干接觸電極與無創干接觸電極；（2）無接觸電極，通過“電容耦合”效應來感知頭皮的生物電位信號，而無需直接與頭皮接觸，但是這種傳感方法對于神經信號記錄來說不夠準確、可靠和靈敏。干接觸電極大多需要穿過頭發，通過直接接觸頭皮去感知EEG信號，但是由于不使用導電凝膠，直接貼在頭皮上，電極與頭皮之間的阻抗會非常大，這對傳感后放大器模塊的電路設計提出了挑戰，需要優化匹配傳感器與頭皮之間的電氣接口。同時如何最大可能地降低EEG檢測過程中各類噪聲引發的感知EEG信號污染，這也給電極的設計帶來了困難。

由于頭皮上的角質層會帶來高阻抗，因此，一些研究主要集中在借助MEMS工藝技術制作微針或者納米針穿透頭皮的角質層，以此大幅度降低頭皮與電極之間的阻抗，相比于無創直接貼合頭皮獲取EEG信號的平板干接觸電極，通過微針電極獲取的信號質量更好，然而其具備一定的刺穿性，存在感染的風險，同時電極制作的成本也很高。當然，如果電極微針的長度合適，使用者不會感到任何疼痛。為了避免疼痛，微針的長度最好不超過200μm，在理想情況下，穿透長度應減少至70μm，醫學文獻中報告的表皮層厚度僅為70μm。2002年斯德哥爾摩皇家理工學院課題組使用微針MEMS干電極成功采集前額EEG信號，并提出微針的尺寸與涂層材料和電極的接觸阻抗有著密切的聯系，干電極上的微針陣列如圖1所示，該電極底層載體為一塊圓形雙面電路板，涂有Ag/AgCl涂層材料的微針附著在底層載體上，該MEMS干電極技術以侵入性的方式獲取EEG信號。

常見的干接觸電極還有無創干接觸電極，與使用微針穿透頭皮角質層的具有刺穿性的有創電極不同，無創干接觸電極與頭皮的接觸面上不會有微針，接觸面通常為基于柔性材料制作的平板結構，以此保證頭皮與電極保持持續的緊密接觸。由于電極與頭皮的接觸面沒有涂抹導電膏，電極也沒有穿透角質層感知EEG信號，因此電極的接觸阻抗很大，這就要求后端放大器的輸入阻抗足夠大，以此匹配前端電極的阻抗。此外，電極與頭皮面的接觸狀況會受到電極和頭發之間摩擦的影響，所以突破“頭發障礙”也是需要克服的困難。通常傳感器的整體結構被設計為“指狀”或者“梳狀”，以保證電極穿越“頭發障礙”，達到電極陣列更好地與頭皮可靠接觸的目的。

傳統濕電極通過涂抹導電凝膠，填充頭皮與電極之間的縫隙，構成導通電路，降低電極與頭皮之間的接觸阻抗，使用濕電極構成的EEG信號檢測系統采集到的EEG信號質量最好，濕接觸電極可以作為其他電極系統的標準。然而使用濕電極采集EEG信號存在電極使用前準備工作復雜繁瑣以及使用后清理困難等問題，難以在日常生活中廣泛使用；干電極不需要使用導電凝膠，但是也有信號質量差、噪聲嚴重的問題。部分研究結合了“濕”（低阻抗）和“干”（無凝膠）電極系統的優點，研制了可以自動往電極-頭皮接觸面傳輸少量電解液的“半干電極”，以克服常規干接觸電極和濕電極（Ag/AgCl）用于EEG信號記錄的局限性，“半干電極”展現了EEG信號測試和應用開發的前景，是一種有使用前途的中間替代品。

無接觸電容電極通過測量頭皮表面和置于頭發上的電極之間的電容來記錄EEG信號，它依賴于檢測位移電流，位移電流與EEG信號源相關的電場變化成正比。盡管有很多人認為無接觸電極不適用于醫療級別的場景，對干接觸電極的改善才是研究的主流，但也有很多科研人員仍然在研究無接觸電極。濕電極和干接觸電極都需要直接接觸皮膚才能順利工作，而無接觸電極可以隔著衣服，頭發等絕緣層工作，理論上更加方便、安全，也可以帶給使用者更好的舒適感。

近幾年，面向便攜可穿戴設備的EEG信號采集有源電極系統也被報道了，有源電極系統集成了電極部分與傳感后電路部分。這些有源電極系統充分考慮了頭皮與傳感器之間的接口阻抗模型，通過傳感后電路結構改進去匹配實際的頭皮與傳感器之間的接口阻抗，以達到方便、準確、可靠、安全地優化EEG的感知。常見的滿足EEG可穿戴設備的體表電極可分為以下幾類：適合長期佩戴的金屬板電極、低成本的一次性泡沫墊電極、可吸附在頭皮的金屬電極（不需要束帶固定）、浮動電極（需要盡量減少運動偽影噪聲）、柔性電極（佩戴舒適）和微針電極（皮下）。其中，可以滑動穿過頭發的柔性金屬/聚合物有源電極是進行高質量電極-頭皮接觸最常見的形式。2015年臺灣圖像與生物醫學光電研究所提出了一種新型的梳狀有源干電極，其原理圖如圖5所示，該電極適合測量毛發部位的腦電圖。與其他梳狀電極不同，通過集成有源電路，該電極表現出更優異的性能，避免了信號衰減、相位失真并降低了共模抑制比。即使在運動狀態下，它也能有效地獲取頭皮的EEG信號。

除了傳統的濕電極外，傳感器還包括干電極、MEMS電極、柔性材料電極、梳妝結構電極、集成了傳感后調理電路的有源電極等。電極未來的發展趨勢是不同技術路線的互相融合，比如適合可穿戴設備的有源電極可以是不同材料、工藝與結構制作的干電極，并且可能采用與頭皮接觸性能更好的梳妝結構。對于 EEG 信號檢測電極，其檢測安全性、靈敏度、可靠度、電極與頭皮的接觸阻抗網絡、電極極化電壓需要根據 EEG 具體應用場景進行折中選擇與優化。傳感后調理電路主要包括微伏級 EEG 信號低噪聲放大器、模 / 數轉換電路 ADC 和無線射頻電路。最為關鍵的放大器結構主要有直流耦合放大器結構，比如基于斬波穩定技術的直流耦合放大器，以及交流耦合放大器等結構。放大器通過電路結構的創新與電路具體指標的改善，實現低噪聲生物放大器與前置傳感器的聯合優化設計，以改善放大器與傳感器之間的接口阻抗匹配，降低放大器的等效輸入噪聲，消除或抑制電極失調電壓，降低 CMRR、PSRR 和功耗，抑制輸出紋波，調節低頻帶寬等關鍵參數。隨著未來人工智能技術的發展，針對 EEG 具體應用場景的具有特征識別與歸類功能的智能 EEG 信號檢測芯片也在不斷涌現。

來源：電子與封裝?王梓斌，劉國柱，孫建輝? ?

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