EEG檢測(cè)芯片系統(tǒng)傳感器模塊綜述

腦電（EEG）信號(hào)與生物體的生命狀態(tài)密切相關(guān)，其具有非線性、幅值低、頻率范圍低、噪聲強(qiáng)、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、微電子技術(shù)、人工智能研究等學(xué)科與技術(shù)的迅速發(fā)展，EEG信號(hào)的檢測(cè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。EEG信號(hào)是腦神經(jīng)細(xì)胞電生理活動(dòng)在大腦皮層或頭皮表面的總體反映，作為人體體征信號(hào)中的一種典型信號(hào)，其包含了大量的神經(jīng)電生理信息。對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行采集與分析，一方面，對(duì)于臨床醫(yī)學(xué)尤其在抑郁癥、癲癇、腦腫瘤、癡呆等諸多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床診斷中發(fā)揮著重要作用；另一方面，在腦科學(xué)研究與工程應(yīng)用方面，EEG信號(hào)檢測(cè)設(shè)備與人工智能（AI）技術(shù)相互融合促進(jìn)，例如研究人員正在嘗試通過(guò)提取EEG信號(hào)有關(guān)特征以實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口（BCI）通訊閉環(huán)控制。然而EEG信號(hào)是低頻率低幅值的非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，很容易受到頭皮與傳感器之間接觸狀態(tài)的影響以及來(lái)自環(huán)境噪聲等各類背景噪聲的干擾，因此這些微弱的EEG信號(hào)需要被放大并進(jìn)行一系列抗噪聲處理。

因此基于EEG傳感檢測(cè)芯片構(gòu)成的便攜可穿戴EEG信號(hào)檢測(cè)微系統(tǒng)有著良好的研發(fā)和應(yīng)用前景，具有廣泛的醫(yī)學(xué)意義。文章對(duì)EEG檢測(cè)芯片系統(tǒng)傳感器模塊進(jìn)行了綜述。
電極能夠從頭皮表面獲取EEG信號(hào)，在EEG信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，其主要分為濕電極和干電極。傳統(tǒng)的EEG信號(hào)采集方法通常使用濕接觸電極，濕電極多年來(lái)一直是記錄頭皮表面EEG信號(hào)的最常用設(shè)備，然而這需要操作員花費(fèi)時(shí)間將導(dǎo)電凝膠涂抹到每個(gè)測(cè)試位置，使用后凝膠的清理過(guò)程對(duì)于受試者來(lái)說(shuō)也比較痛苦。因此，濕接觸電極的使用過(guò)程非常繁瑣，不方便神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷，特別是在需要長(zhǎng)時(shí)間記錄EEG信號(hào)的情況下（長(zhǎng)時(shí)間使用的情況下導(dǎo)電凝膠會(huì)脫水凝固），所以傳統(tǒng)濕電極不適合可穿戴EEG檢測(cè)設(shè)備或系統(tǒng)。
為了克服傳統(tǒng)濕電極的缺點(diǎn)，各類的新型干電極被研發(fā)出來(lái)，這些設(shè)計(jì)在消除電極對(duì)電解凝膠依賴的同時(shí)保證了低接觸阻抗和良好的信噪比。根據(jù)電極與頭皮的接觸方式與程度進(jìn)行分類，干電極主要分為兩大類：（1）干接觸電極，可以進(jìn)一步被分為有創(chuàng)干接觸電極與無(wú)創(chuàng)干接觸電極；（2）無(wú)接觸電極，通過(guò)“電容耦合”效應(yīng)來(lái)感知頭皮的生物電位信號(hào)，而無(wú)需直接與頭皮接觸，但是這種傳感方法對(duì)于神經(jīng)信號(hào)記錄來(lái)說(shuō)不夠準(zhǔn)確、可靠和靈敏。干接觸電極大多需要穿過(guò)頭發(fā)，通過(guò)直接接觸頭皮去感知EEG信號(hào)，但是由于不使用導(dǎo)電凝膠，直接貼在頭皮上，電極與頭皮之間的阻抗會(huì)非常大，這對(duì)傳感后放大器模塊的電路設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，需要優(yōu)化匹配傳感器與頭皮之間的電氣接口。同時(shí)如何最大可能地降低EEG檢測(cè)過(guò)程中各類噪聲引發(fā)的感知EEG信號(hào)污染，這也給電極的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。
由于頭皮上的角質(zhì)層會(huì)帶來(lái)高阻抗，因此，一些研究主要集中在借助MEMS工藝技術(shù)制作微針或者納米針穿透頭皮的角質(zhì)層，以此大幅度降低頭皮與電極之間的阻抗，相比于無(wú)創(chuàng)直接貼合頭皮獲取EEG信號(hào)的平板干接觸電極，通過(guò)微針電極獲取的信號(hào)質(zhì)量更好，然而其具備一定的刺穿性，存在感染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)電極制作的成本也很高。當(dāng)然，如果電極微針的長(zhǎng)度合適，使用者不會(huì)感到任何疼痛。為了避免疼痛，微針的長(zhǎng)度最好不超過(guò)200μm，在理想情況下，穿透長(zhǎng)度應(yīng)減少至70μm，醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)中報(bào)告的表皮層厚度僅為70μm。2002年斯德哥爾摩皇家理工學(xué)院課題組使用微針MEMS干電極成功采集前額EEG信號(hào)，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(lián)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(shù)以侵入性的方式獲取EEG信號(hào)。

常見(jiàn)的干接觸電極還有無(wú)創(chuàng)干接觸電極，與使用微針穿透頭皮角質(zhì)層的具有刺穿性的有創(chuàng)電極不同，無(wú)創(chuàng)干接觸電極與頭皮的接觸面上不會(huì)有微針，接觸面通常為基于柔性材料制作的平板結(jié)構(gòu)，以此保證頭皮與電極保持持續(xù)的緊密接觸。由于電極與頭皮的接觸面沒(méi)有涂抹導(dǎo)電膏，電極也沒(méi)有穿透角質(zhì)層感知EEG信號(hào)，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(huì)受到電極和頭發(fā)之間摩擦的影響，所以突破“頭發(fā)障礙”也是需要克服的困難。通常傳感器的整體結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為“指狀”或者“梳狀”，以保證電極穿越“頭發(fā)障礙”，達(dá)到電極陣列更好地與頭皮可靠接觸的目的。

傳統(tǒng)濕電極通過(guò)涂抹導(dǎo)電凝膠，填充頭皮與電極之間的縫隙，構(gòu)成導(dǎo)通電路，降低電極與頭皮之間的接觸阻抗，使用濕電極構(gòu)成的EEG信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采集到的EEG信號(hào)質(zhì)量最好，濕接觸電極可以作為其他電極系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。然而使用濕電極采集EEG信號(hào)存在電極使用前準(zhǔn)備工作復(fù)雜繁瑣以及使用后清理困難等問(wèn)題，難以在日常生活中廣泛使用；干電極不需要使用導(dǎo)電凝膠，但是也有信號(hào)質(zhì)量差、噪聲嚴(yán)重的問(wèn)題。部分研究結(jié)合了“濕”（低阻抗）和“干”（無(wú)凝膠）電極系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，研制了可以自動(dòng)往電極-頭皮接觸面?zhèn)鬏斏倭侩娊庖旱摹鞍敫呻姌O”，以克服常規(guī)干接觸電極和濕電極（Ag/AgCl）用于EEG信號(hào)記錄的局限性，“半干電極”展現(xiàn)了EEG信號(hào)測(cè)試和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的前景，是一種有使用前途的中間替代品。

無(wú)接觸電容電極通過(guò)測(cè)量頭皮表面和置于頭發(fā)上的電極之間的電容來(lái)記錄EEG信號(hào)，它依賴于檢測(cè)位移電流，位移電流與EEG信號(hào)源相關(guān)的電場(chǎng)變化成正比。盡管有很多人認(rèn)為無(wú)接觸電極不適用于醫(yī)療級(jí)別的場(chǎng)景，對(duì)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(wú)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(wú)接觸電極可以隔著衣服，頭發(fā)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(shè)備的EEG信號(hào)采集有源電極系統(tǒng)也被報(bào)道了，有源電極系統(tǒng)集成了電極部分與傳感后電路部分。這些有源電極系統(tǒng)充分考慮了頭皮與傳感器之間的接口阻抗模型，通過(guò)傳感后電路結(jié)構(gòu)改進(jìn)去匹配實(shí)際的頭皮與傳感器之間的接口阻抗，以達(dá)到方便、準(zhǔn)確、可靠、安全地優(yōu)化EEG的感知。常見(jiàn)的滿足EEG可穿戴設(shè)備的體表電極可分為以下幾類：適合長(zhǎng)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(dòng)電極（需要盡量減少運(yùn)動(dòng)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(dòng)穿過(guò)頭發(fā)的柔性金屬/聚合物有源電極是進(jìn)行高質(zhì)量電極-頭皮接觸最常見(jiàn)的形式。2015年臺(tái)灣圖像與生物醫(yī)學(xué)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(cè)量毛發(fā)部位的腦電圖。與其他梳狀電極不同，通過(guò)集成有源電路，該電極表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，避免了信號(hào)衰減、相位失真并降低了共模抑制比。即使在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，它也能有效地獲取頭皮的EEG信號(hào)。

除了傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)電極、集成了傳感后調(diào)理電路的有源電極等。電極未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是 不同技術(shù)路線的互相融合，比如適合可穿戴設(shè)備的有源電極可以是不同材料、工藝與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。對(duì)于 EEG 信號(hào)檢測(cè)電極，其檢測(cè)安全性、靈敏度、可靠度、 電極與頭皮的接觸阻抗網(wǎng)絡(luò)、電極極化電壓需要根據(jù) EEG 具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行折中選擇與優(yōu)化。傳感后調(diào)理 電路主要包括微伏級(jí) EEG 信號(hào)低噪聲放大器、模 / 數(shù) 轉(zhuǎn)換電路 ADC 和無(wú)線射頻電路。最為關(guān)鍵的放大器結(jié)構(gòu)主要有直流耦合放大器結(jié)構(gòu)，比如基于斬波穩(wěn)定技術(shù)的直流耦合放大器，以及交流耦合放大器等結(jié)構(gòu)。放大器通過(guò)電路結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與電路具體指標(biāo)的改 善，實(shí)現(xiàn)低噪聲生物放大器與前置傳感器的聯(lián)合優(yōu)化 設(shè)計(jì)，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(diào)電壓，降低 CMRR、PSRR 和功耗，抑制輸出紋波，調(diào)節(jié)低頻帶寬等關(guān)鍵參數(shù)。隨著未來(lái)人工智能技術(shù)的發(fā)展，針對(duì) EEG 具體應(yīng)用場(chǎng)景的具有特征識(shí)別與歸類功能的智能 EEG 信號(hào)檢測(cè)芯片也在不斷涌現(xiàn)。

來(lái)源：電子與封裝 王梓斌 ，劉國(guó)柱，孫建輝   

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