基于脑电采集系统的阻抗检测方法研究

叶继伦，魏兰兰，王 凡，宋艳涛，张 旭

1 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，518060

2 广东省生物医学信号检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

基于脑电采集系统的阻抗检测方法研究

【作 者】叶继伦1，魏兰兰1，王 凡1，宋艳涛1，张 旭2

1 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，518060

2 广东省生物医学信号检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

在生物电信号测量中，电极阻抗检测是评价提取信号质量，传感器电极接触情况的一个重要指标。该文基于脑电测量平台，提出一种准确检测电极阻抗的方法，该方法基于恒流源激励信号加入人体，通过监测在人体端分压值，来测量电极阻抗，并且在不同区间采用不同参考电阻进行校准计算，减少恒流源精度对测量结果的影响，提高测量准确性。

电极阻抗检测；恒流源激励；校准计算

0 引言

生物电阻抗检测在生物电测量中有着广泛的应用，特别是脑电、心电、肌电等生物电信号采集系统中。在生物电采集系统测量中信号质量的好坏很大程度取决于电极与病人的接触阻抗。电极阻抗越大，表示电极与病人接触不好，测量的可靠性越低。电极阻抗越小，表示电极与病人接触越可靠，提取的信号质量也越好。在脑电、心电系统中如果电极松动或者脱落，会很大程度影响信号的提取，因此对电极与病人接触阻抗的监测在脑电、心电测量中有着重要的意义。

生物电阻抗检测技术是一种无损检测技术，它的基本原理是通过检测生物组织与器官的电特性（阻抗、导纳、介电常数等）及其变化，从而提取出与人体生理、病理状况有关的生物医学信息，为临床诊断与治疗提供参考指标[1]。通常采用的方法为伏安法，是将微小的交变电流（或电压）信号通过置于体表的激励电极注入被测对象，同时通过特定位置处的测量电极检测出被测对象表面的电压信号，根据欧姆定律，来计算人体阻抗。然而这种方法容易受到恒流源信号的精度和噪声的干扰，而且要设计出高精度恒流源和减少系统噪声干扰是比较困难的。

本阻抗检测测量方法基于麻醉深度监测的脑电研究平台。阻抗检测是脑电测量中一个重要组成部分，通过对阻抗的测量，来衡量脑电电极与病人接触情况[2]。本方法在伏安法基础上做改进，加入参考电阻阻抗监测进行校准，能够很好地提高测量的精确性和准确性，确保脑电电极阻抗监测的准确性，为脑电信号质量评估提供一个好的保障[3]。

1 测量系统框架

本电极阻抗测量系统主要包括恒流源激励产生模块。恒流源激励通常产生一个微弱电流，在这里我们采用1.6 µA，频率200 HZ的恒流源激励信号，通过测试电极激励到病人[4]，反馈回来进行实时电压监测。反馈回来的电压是很微弱的，通常只有几十到几百mV。因此这里需要对反应阻抗信息的电压信号进行放大滤波处理，然后进入A/D转换模块，得到数字信号，再经过MCU处理计算出测量结果，发送到PC机上显示。具体架构如图1所示。

图1 阻抗检测部分系统架构Fig.1 The system of impedance detection

2 测量系统硬件设计

本阻抗测量系统主要包括激励信号产生电路，恒流源产生电路，开关控制阻抗检测通道电路，阻抗信号放大滤波电路，A/D转换电路和MCU部分，电路原理示意如图2所示。

图2 电路原理示意图Fig.2 The circuit schematic

3 测量方法

3.1 测量过程

测量过程示意图如图3所示。

图3 测量过程示意图Fig.3 Schematic diagram of the measurement process

当开关K0闭合，K1断开时，通过MCU控制多项选择开关的指向，当开关选择d0时恒流源激励信号导入Z1电极 ，由公共电极Zc电极信号导出至接地。由于有电压的实时监测，将监测电压值进行放大滤波电路之后进入A/D转换。此时可以得到监测电压和监测阻抗的关系如公式一所示：

其中Uz1为Z1和Zc的联合阻抗对应监测的电压值，I为恒流源激励信号电流。

同理通过MCU控制多项开关选择器分别导向的d1，d2，d3，可以得出：

当开关K0断开，K1闭合时，MCU控制多项选择开关指向d1，可以得到：

这样联合方程(1)～(5)可以得到每个电极对应的电极接触阻抗Z1，Z2，Z3，Z4，Zc。因此，本测量方法只需MCU对多项选择开关的控制就能实现对每个电极接触阻抗的监测[5]。

当MCU控制多项选择开关指向d4，d5时，这时可以得到监测电压：

我们利用Rref1, Rref2这两个参考电阻来对电极阻抗值进行校准计算，这样就很大程度上提高了本系统电极阻抗测量值得精度，减少了恒流源精度和系统噪声等对测量结果的影响。下面将详细介绍本系统采用的计算方法。

3.2 计算方法

为了减少恒流源信号的精度和不稳定性的影响，在计算上引入参考电阻来进行校准。若待测阻抗Zx，对应电压监测点进行放大滤波后对应A/D转换值Sx，参考电阻对应采样值S1，则有：

这样只需要通过监测电压对应的A/D转换值，就可以很简单得出检测阻抗值。由于本系统要求电极阻抗检测范围为(0～100) kΩ，我们在(0～50) kΩ和(50～100) kΩ选用不同校准电阻来进行参考计算。这样解决了检测阻抗值对激励信号源精度和误差带来的影响，提高了检测阻抗计算的准确性[6]。

3.3 结果分析

为了验证本测量方法的准确性，将两电极接入不同阻值的电阻进行准确性验证。分别加入2.2 kΩ、4.7 kΩ，9 kΩ、15 kΩ、20 kΩ、27 kΩ、49 kΩ、68 kΩ和100 kΩ电阻进行阻抗检测。检测阻抗值（由于本系统电极间外围电阻有4.6 kΩ，检测阻抗值为电极间阻抗值和外围电阻值的总和）和实际计算阻抗值结果如图4拟合结果所示。

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

深圳市科创委项目（SW201110039，SDSY20120612094855904）

叶继伦，E-mail: yejilun@126.com

张旭，E-mail: zhangxu729@hotmail.com

1671-7104(2014)04-0240-02