基于章鱼吸盘柔性干电极的可穿戴脑电采集系统

宋振宇, 申跟财, 刘景全

(上海交通大学 微纳科学技术研究院 微米/纳米加工技术国家重点实验室薄膜与微细技术教育部重点实验室，上海 200240)

0 引 言

脑电(electroencephalograph,EEG)信号的采集和分析已经在许多领域给人类的生活产生了重大帮助。例如对帕金森和癫痫等生理疾病的检测[1],对抑郁症和失眠症等心理疾病的检测[2],以及对疲劳状态和情绪的实时状态的检测[3]。随着未来对人脑的深入理解,脑电信号在脑机接口和智能控制领域有着越来越重要的作用[4～6]。

脑电采集中采用最广的湿电极采集过程中所使用的导电膏可能会对皮肤产生刺激,不利于清洗,并且长时间使用后由于导电膏脱水变干会导致信号质量变差。而湿电极以外大部分的干电极要通过挤压的方式来和皮肤紧密基础来获得[7,8],这会给人带来很大的不适感。因此，越来越多的研究利用生物的仿生结构,来制备一些易于吸附的器件[9～11]。

本文制备了一种基于章鱼吸盘仿生结构的脑电电极,其在柔性干电极的周围加入了章鱼仿生结构的吸盘,使其可便捷舒适地吸附在前额和其他少发区域,采集脑电信号,并且易于剥离,可重复使用。同时搭建了无线脑电采集系统,可以实时显示、存储脑电信号。本文系统可以有效采集脑电信号,同时对于信号幅度更大的心电和肌电等其他生物电信号也可以进行采集[12,13]。

1 电极与工艺

1.1 理论分析

首先，对章鱼吸盘吸力的产生原因进行分析,将该章鱼仿生结构和界面接触到之间产生吸力的过程主要分为图1中的3个阶段：第一阶段施加一个压力Fp使结构的内部体积逐渐变小,结构中的液体也达到了最小。第二阶段由于章鱼仿生结构具有弹性,其被收缩挤压,直到圆顶状微结构和相邻侧壁接触,将整个结构分成上部(C1)和下部(C2)两个腔室。之后由于内部的毛细管作用,该毛细管力将残余液体抽向腔室C1。第三阶段,在去除外部压力Fp之后,液体分子的内聚力使腔室C1闭合。在上腔室C1充满液体分子后,弹性松弛可以使下腔室C2中产生一个相对于外界环境压强(ΔP0)极低的压强(几乎产生真空状态,ΔPmax=ΔP0-ΔPC2)，由于下腔室C2的压强很低,所以,其与外界环境压强(ΔP0)的压强差ΔPmax很大,产生的压力也就很大。可以得到吸力的计算公式为

图1 吸力产生原理分析

σ=-ΔPmaxπr2κn

(1)

式中 πr2为每个结构的接触面积,κ为该结构的效率;n为每单位面积的章鱼吸盘的仿生结构数。

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体,使下腔室的压强达到一个很低的值,从而和外界产生一个大的压强差来产生吸力。所以，所设计的结构需要球体直径和外壁的间隔足够小,在挤压时易于和外壁接触从而将章鱼吸盘内部分割为上下两个腔室,进而产生吸力。

1.2 加工工艺

根据这一原理绘制出了所制备的吸盘结构,整体圆柱高0.8 mm,直径1 mm,中间突出的球直径为0.8 mm,所以，其和外壁之间的最小间距为0.1 mm，使其可以在挤压过程中可以和外壁接触,形成上腔室,从而产生一个较大的压强差来产生吸力。

首先绘制出章鱼吸盘结构的逆结构3D模型如图2(a)所示,并在中央空出之后安放电极的空间,模具的整体结构如图2(b)所示，之后采用3D打印精度最高的材料红蜡进行3D打印,就完成了倒模模具的制备。

图2 红蜡(red wax)模具微观3D结构和宏观结构

吸盘电极的制备流程图如图3(a)所示,a.3D打印的红蜡模具。b.为防止倒模时倒模材料和红蜡反应,同时为了帮助脱模,在3D打印的红蜡材料上沉积一层5 μm的派瑞林(prylene)。c.电极部分使用柔性FPC加工的镀金点电极,其直径为0.5 cm,和模具中央空出的位置相匹配,将电极放置于模具中央。d.将共聚酯(ecoflex)-A溶剂和Ecoflex-B溶剂1︰1混合均匀并抽真空,倒在模具上放入干燥箱在60℃的条件下干燥4 h进行倒模。e.将章鱼吸盘电极从模具上剥离。制备出的吸盘电极实物图如图3(b)所示。

图3 吸盘电极的制备流程和实物

2 脑电采集系统

2.1 系统整体结构

可穿戴式脑电采集系统框架如图4所示,系统可分为采集发送端和接收显示端两部分,采集发送端由章鱼吸盘电极,ADS1299模拟前端模块,ZYNQ数据处理与控制模块,ESP8266 WiFi发送模块和电池组成,接收显示端为电脑上位机接收显示程序。

图4 系统框架示意

2.2 采集发送端

系统采用TI公司的集成模拟前端芯片ADS1299实现信号采集及模数转换,ADS1299具有8个低噪声可编程增益放大器(PGA,放大倍数1～24倍)和8个高分辨率(24位)同步采样模数转换器。具有极低的等效输入噪声1.0 μVpp,低输入偏置电流(300 pA),250 Hz～16 kHz可调采样率。其直流输入阻抗达1 GΩ以上,适合接触阻抗较高的干电极使用。目前已广泛应用于脑电、心电等生物电信号的采集。ADS1299的输入端具有2个参考输入引脚,通过编程控制8个输入端可在差分输入与单极输入间切换,适合不同生理信号采集模式。同时,ADS1299具有输出偏置引脚,可以有效减少共模信号干扰。ADS1299 采用SPI通信协议进行配置和数据传输,可进行连续采集和可控单次采集。将其配置为连续采集模式,当完成一次采样时,通过IO输出信号给控制器提示采样完成。ADS1299采用TQFP—64封装,尺寸仅为12 mm×12 mm,其高集成度可大大减少分立器件的数量,非常有利于系统的小型化。其电路设计如图5所示。

图5 ADS1299外围电路设计

无线发送模块使用了乐鑫公司的ESP8266采用WiFi传输,ZYNQ通过SPI接口向无线模块发送数据SPI接口的时钟速率为20 MHz,对其完成初始化配置之后,通过SPI接口向其发送数据,即可实现WiFi无线传输,WiFi模块的最大稳定传输速率可以达到5 Mb/s。

主控芯片采用的是Xilinx公司的ZYNQ系列,ZYNQ芯片内包含一个丰富特性的基于双核ARM Cortex—A9的处理子系统(processing system,PS)和Xilinx 28nm可编程逻辑(programmable logic,PL)。PS除了核心外还包括片上存储器、外部存储器接口以及大量外设连接接口。程序流程如图6所示,首先,完成对要使用的SPI模块、GPIO中断控制模块进行初始化,之后对ADS1299采样模块和WiFi发送模块进行初始化配置,之后,根据ADS1299的指示采样完成的IO端口信号触发中断,控制SPI接口读取脑电数据,经过PL部分实现50 Hz的陷波滤波处理,滤除50 Hz工频噪声后，存储在发送数据包的相应位置,并脑电采样完成次数进行计数。当脑电采样10次后,将其清零,并将整个数据包发送给无线模块,通过WiFi传给电脑。

图6 程序流程

供电系统由3.7 V锂电池供电,产生3.3 V供给ADS1299的数字电源输入端、ZYNQ和WiFi模块同时产生±2.5 V供给ADS1299的模拟电源输入端，3.3 V电源使用CJA1117。由于ADS1299的模拟电源作为模数转换器的参考电压,其噪声对于脑电信号的采样精度有着重大影响，所以2.5 V电源采用TI公司的LP5907—2.5超低噪声低压差稳压器,输出电压噪声小于6.5 μVpp,可提供最大250 mA电流。由于 ADS1299的模拟电源输入要求正负电源供电,因此，供电系统使用TI公司的TPS60403充电泵电压反相器,获得-3.3 V电压，再由TPS72301负输出低压差线性稳压器输出-2.5 V电源。电源模块采用的线性稳压器及电压反向器皆为SOT—23小尺寸封装,其长宽为2.90 mm×1.60 mm,有利于系统的小型化。

电路板采用了模数隔离的思想进行设计,减少数字部分对模拟部分的影响从而提高采样精度,实物如图7所示,采用上下两层拼接的方式来减小尺寸,上层板为主控芯片ZYNQ部分,下层底板为ADS1299和无线发送模块,整体的大小为52 mm×35 mm×12 mm,重量19g,满足可穿戴采集的要求。

图7 发送端实物

2.3 接收显示端

系统接收端为电脑的上位机接收程序,无线WiFi模块在无遮挡空间内有效传输距离为15 m。电脑连接上采集发送端所创建的WiFi热点后,运行通过Python编写的显示接收程序,即可实时读取,显示及存储数据。可对存储的脑电信号数据进行后续的分析处理算法。

3 实验结果与讨论

3.1 章鱼吸盘电极的力学性能测试

首先，针对本文中提出的章鱼仿生结构所带来的吸力进行测试,将制作的吸盘电极吸附于平面上,用拉力测试系统测试，将其剥离所需的最小拉力为65 N。该测试结果表明，其可以满足在测试过程中发生轻微扰动时电极吸附的稳定性,使整个采集过程保持稳定。

对章鱼吸盘电极的连续吸附次数进行测试,将电极吸附于人体前额处,剥离,等待10 s,记为1次。经测试该电极可连续吸附53次，满足对其可重复使用的要求。

3.2 章鱼吸盘电极的电学性能测试

对该电极的信号质量进行测试,如图8所示,章鱼吸盘结构电极的采集结果与标准商用湿电极的采集结果进行对照。试验中,采用在邻近位置( 两电极相邻放置,相邻电极中心距小于2 cm)，同时并行获取头皮电位,2个电极均安放在前额的Fp1区域,2种电极使用同一个参考电极安放在左耳耳垂位置; 同一个地电极安放在右耳耳垂位置,参考电极和地电极均使用标准商用Ag/AgCl湿电极。受试者是23岁身体健康的男性。使用研发的无线脑电采集系统,采样频率设为1 kHz,在电脑上运行上位机接收软件,显示并存储采集得到的脑电信号,之后用MATLAB软件对存储的脑电信号进行分析。

图8 测试实拍

对前额睁眼和眨眼的脑电信号进行测试,睁眼采集 2 s的脑电信号,章鱼吸盘结构电极和商用Ag/AgCl湿电极的时域和频域波形如图9(a)和图9(b)所示。之后测试3 s内眨眼3次的脑电信号的时域和频域波形如图9(c)和图9(d)所示,其中时域波形图的横坐标的单位为毫秒(ms),纵坐标单位为毫伏(mV),频域波形的横坐标的单位为赫兹(Hz),纵坐标单位为微伏的平方每赫兹(μV2/Hz)。采集效果和Ag/AgCl湿电极相当证明了章鱼吸盘电极可以良好的采集到脑电信号。

图9 测试结果

4 结 论

本文研制了基于章鱼吸盘柔性干电极的可穿戴无线脑电采集系统。将干电极和章鱼的吸盘结构相结合,使得该电极具有良好的吸附能力,且易于剥离,可多次重复使用,同时其信号质量也和标准商用Ag/AgCl湿电极相当,解决了湿电极需要涂抹导电凝胶和普通干电极挤压所带来的不适感等问题。同时研发了无线脑电采集系统,系统采用高性能的ZYNQ作为数据处理与控制模块,可扩展能力强,采用WiFi无线传输协议。整个系统大小为52 mm×35 mm×12 mm,重19 g,满足了可穿戴脑电采集的需要。