祝伟仝 吕林洋 王鑫 娄存广 闰明涛 刘秀玲

摘  要： 脑电能反映人脑的健康及认知活动状况，是脑疾病诊治及认知神经科学的重要参数。基于头皮脑电的脑电信号监测也是脑机接口的重要手段。该文开发一种基于柔性石墨烯干式脑电（EEG）电极和便携式无线终端的脑电采集系统。利用真空抽滤的方法制备了柔性聚酯纤维（织物）基底石墨烯织物电极，基于ADS1299模拟前端和超低功耗单片机设计实现了便携式低功耗无线脑电采集系统，能够实现脑电信号的采集、处理、存储和无线传输。对石墨烯电极的导电特性、耐久性、稳定性进行了测试并和商用氯化银电极进行了对比。结果表明，文中开发的石墨烯电极能够实现脑电信号的高信噪比精确采集，并且满足长期佩戴所需的耐摩擦性。与皮肤连续摩擦接触的测试结果表明，随着时间的推移，石墨烯电极本征阻抗及采集的脑电信号质量并没有发生明显变化。基于石墨烯电极的便携式无线脑电采集系统数据采集准确可靠，设计合理，运行稳定，能够满足便携式脑电采集设备的需要。

关键词： 脑电采集系统; 石墨烯电极; 系统设计; 便携式采集; 无线传输; 测试分析

中图分类号： TN103?34; TP274                  文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）12?0022?05

Abstract： EEG signal can reflect the health status and cognitive activity of the human brain， which is an important parameter in the brain disease diagnosis and treatment， as well as the cognitive neuroscience. The EEG signal monitoring based on scalp EEG is also an important mean of the brain?computer interface. An EEG acquisition system based on the flexible graphene dry EEG electrode and the portable wireless terminal is developed. The graphene fabric electrode with the flexible polyester （fabric） substrate is prepared by means of the vacuum filtration method. The portable low?power consumption wireless EEG acquisition system is designed and realized on the basis of ADS1299 analog front?end and ultra?low power consumption MCU， which can realize the acquisition， processing， storage and wireless transmission of EEG signal. The conductivity， durability and stability of the graphene electrode were tested and compared with those of the commercial silver chloride electrode. The results show that the developed graphene electrode can collect the EEG signals with high signal?to?noise ratio  precisely， and meet the needs of the friction resistance for long?term wearing. The testing results of continuous frictional contact with skin indicate that， as times go on， the intrinsic impedance of the graphene electrode and the quality of the EEG signal collected by it do not change significantly. The data collected by the portable wireless collection system based on graphene electrode is accurate and reliable， its design is reasonable， and its operation is stable. It can satisfy the need of the portable EEG acquisition equipments.

Keywords： EEG acquisition system; grapheme electrode; system design; portable acquisition; wireless transmission; testing analysis

大腦是人体最重要的器官之一，具有非常强大的功能和复杂的结构。脑电（EEG）是由大脑神经活动产生的电位信号，是人体中重要的生物电信号，反映了大脑神经元细胞体的生理活动，蕴藏了丰富的大脑活动信息。脑电信号频率主要集中在0.5～100 Hz，电压幅值[1]为5～100 μV。脑电信号是研究脑科学、认知科学、临床脑疾病诊疗的重要载体[2]。以脑电为基础的脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）信号解析及设备智能控制是当今脑科学研究的热点。

在脑电信号监测中，头皮脑电相对于颅内脑电采集技术具备无创的优点，用途更为广泛。传统的脑电信号采集设备虽然精度上能满足医疗和科研等方面的需求，但是其体积比较大，价格昂贵，携带不便[3?4]。脑电采集需要专业人员操作，被试者需要佩戴脑电帽并涂抹导电膏，容易产生不舒适感，且只能在医院中进行采集，不能自由活动，故不适宜作为日常连续监测的手段。采集时被试者并不是在真正的生活环境中，对于研究一些疾病的诱导因素带来困难。此外，运动噪声干扰及汗液短路使长期动态头皮脑电采集存在巨大的挑战。随着石墨烯材料的出现，利用石墨烯技术设计的柔性电极可以极大地提高被试者的舒适度，解决了被试者佩戴不舒适、影响日常生活等问题，可以做到无违和感佩戴。同时相较于传统的氯化银电极，石墨烯柔性电极无毒无害且具有良好的生物相容性，长期佩戴不会对皮肤造成损伤，因此适用于需要长期监测的场景。

针对传统脑电采集设备的局限性，本文设计高导电率、高稳定性柔性石墨烯织物电极及便携式脑电采集终端，使得脑电信号的采集不再局限于医院和专业人员的操作，可以在日常生活中进行连续采集。在穿戴式设备、脑机接口、智慧健康养老等领域具有广泛的应用前景。

1  系统整体结构

本系统的脑电采集终端采用便携化设计，通过柔性石墨烯电极采集脑电信号，经过滤波预处理和ADS1299模拟前端的放大后将数据传输给单片机，单片机通过SPI读取放大器输出的数据，然后通过串口传给无线模块，无线模块将数据发送到监护终端设备，通过上位机可以查看数据并对数据做进一步的分析处理。

本系统可用于睡眠监测、疲劳驾驶检测等需要长期脑电信号监测的应用场景[5]。采集终端设备具有采集时间灵活、操作简单的特点。配合石墨烯柔性电极实现无违和感检测，克服了传统湿式电极在长时间佩戴时信号衰减、腐蚀皮肤、影响佩戴者日常生活等问题。

2  石墨烯电极的设计

传统的湿式脑电帽需要涂抹导电膏或者浸泡生理盐水才可以佩戴，佩戴过程繁琐，调整所需时间较长，且佩戴不舒适。湿电极在长期测量过程中随着时间的推移，导电膏脱水，采集到的信号出现衰减，对信号质量造成一定的影响[6]。

为了克服湿电极技术的诸多缺点，近几年来基于非导电胶/膏的干电极和半干电极技术成为研究热点。利用石墨烯的导电性和良好的生物相容性，对皮肤无刺激、无生理毒性的优点，本文设计制作了可长时间佩戴及反复使用的柔性石墨烯织物电极。采用石墨作为原材料，利用氧化还原方法制备导电石墨烯，并通过真空抽滤法将石墨烯附着到柔性聚酯纤维（织物）基底上制成了柔性石墨烯电极，并通过添加粘胶增加石墨烯的附着力提高抗摩擦性。因为电极本身为干电极，不存在传统的湿电极随着时间推移导致的信号衰减问题，适用于长时间连续脑电监测。

3  实验结果与讨论

为了研究石墨烯柔性电极对于脑电信号的检测灵敏度，将直径1 cm的石墨烯电极片利用具有弹性的脑电帽固定在24岁健康男性受试者前额处，并通过固定长度的线缆连接至脑电系统，以商用氯化银电极作为参考电极和地电极采集脑电信号进行对比。图1所示为石墨烯电极和氯化银电极采集得到的眨眼时前额处脑电信号波形。结果表明，石墨烯电极与氯化银电极采集到的波形基本一致无畸变，信号幅值基本相同，噪声水平接近，两者信噪比分别为25.8 dB和26.2 dB，石墨烯电极能够获得理想信噪比的脑电信号。

为了评估长期测量及磨损对采集脑电信号的影响，将石墨烯电极剪裁成方形贴在上臂皮肤上，连续采集了7天内电极的阻抗值，并且每隔2天采集一次脑电信号，分析不同时间眨眼动作时的脑电信号。图2所示为石墨烯电极在7天内的特征阻抗即变化率曲线，详细数据的记录如表1所示。石墨烯电极的本征阻抗约为140 Ω，7天内的阻抗变化率小于11%，石墨烯电极与皮肤长时间接触并未对其阻抗造成较大影响，说明该电极具有良好的导电性及较高的时间稳定性。图3所示为第1天、第4天和第7天时测得的前额处眨眼时脑电信号以及与氯化银电极的比较。结果表明，随着时间的推移，所采集到的脑电信号振幅无明显衰减，波形也未出现基线漂移。图中振幅的细微偏差是由于电极与皮肤接触压力不同导致的接触阻抗差異引起的。

本实验测试结果表明石墨烯电极在长期内采集到的脑电信号稳定，克服了大多数湿电极在长时间检测过程中存在的信号衰减问题。

在电极长期佩戴的过程中必然会存在和皮肤接触摩擦的情况。为了测试石墨烯电极抗摩擦能力，将石墨烯电极与皮肤摩擦1 000次，并在每摩擦50次后用万用表测量一次电极阻抗。为了保证数据的准确性，每次数据测量时均测量8次，取其平均值记录。实验收集了反映其阻抗变化情况的21组数据。

通过图4可见，经过1 000次的摩擦，石墨烯电极的阻抗变化小于18 Ω，相对变化率在13.95%以内，表明石墨烯具有良好的耐摩擦性。

为了研究石墨烯电极特征阻抗的频率特性，利用1693型RLC Digibridge测量了其交流阻抗。

图5为石墨烯电极在12 Hz～1 kHz之间频率范围内的阻抗数据，通过测试数据可以看出在此测量区间石墨烯阻抗值从80 Ω逐渐变化到115 Ω左右。在较宽的频率范围内具有较高的导电性，保证了对不同频率生物电信号的精确采集及频带宽度的需求。

功率谱可以直观地反映脑电信号的频率成份以及各成份之间的相对强弱，揭示脑电节律分布与变化情况。图6所示是石墨烯电极和氯化银电极所采集的脑电信号，在受到相同频率的外界刺激时的频域功率谱特性，通过该图可以看到，石墨烯电极与氯化银电极所在的频域内的功率谱基本一致。

4  脑电采集硬件设计

脑电信号具有幅值微弱、随机性强、容易受到干扰（尤其易受到50 Hz的工频干扰）等特点[7]。采集脑电信号时一般不止采集一个通道，通常需要同时采集多通道的信号。传统脑电采集设备为了满足脑电信号采集的要求往往采用复杂的分立式滤波和放大电路，虽然具有足够高的精度，但是电路板体积过大不利于便携化，功耗高，并且大量的模拟电路会给采集系统带来大量的噪声等问题。

4.1  硬件系统设计

本文开发的便携式脑电采集系统，硬件系统框图如图7所示。通过石墨烯电极采集到脑电信号经过低通滤波和工频滤波的预处理后送入ADS1299模拟前端，ADS1299将信号调理、放大后通过SPI总线将数据传输给单片機，单片机对数据进行简单的处理后存入存储卡，同时经无线传输电路将采集到的信号传输到手机、平板电脑等终端设备。系统采用锂电池供电，可以消除一部分工频干扰的影响。电源管理电路控制锂电池的充放电，提高锂电池的效率，同时不会因为过充过放而对电池造成损伤。

4.2  模拟前端设计

为了准确地提取脑电信号，脑电采集设备的模拟前端必须具有高输入阻抗和高共模抑制比。集成化的模拟前端芯片相对于分立式元器件搭建的电路具有功能模块化、低功耗、体积小和抗干扰能力强的特点[8]。本文设计的模拟前端采用了ADS1299芯片，该芯片是专门为脑电信号采集而设计的，内部集成的可编程放大器实现微弱信号的放大[9]。ADS1299具有丰富的功能和很高的集成度，同时还具有极低的功耗，每个通道的功耗[10]仅有5  mW。

由于ADS1299内具有基准电压和板载振荡器，所以不再需要单独设计参考电压电路，通过式（1）可知，利用参考电压[VLSB]可计算出电压分辨率[VLSB]。本设计中参考电压为4.5 V，当[VLSB]=4.5 V时通过计算得到分辨率为0.536 μV。

通过调节芯片内部的可编程放大器，可使得采样数据分辨率达到0.053 6 μV，而脑电信号[11]一般为5～100 μV。所以采集到的脑电信号不需要进行放大处理即可直接进入ADS1299。

4.3  单片机和无线传输模块设计

单片机作为整套系统的核心部分承担着数据采集、处理、存储和传输的任务。因为本设计为电池供电的便携式设备，所以在单片机选型时需要考虑功耗问题。本文选择了低功耗的STM32L051系列单片机作为主控芯片。STM32L051是基于Arm? Cortex? M0+内核的超低功耗32位单片机，具有丰富外设的同时也具有超低的功耗，动态运行功耗低至49 ?A/MHz，适用于电池供电设备。

本系统中单片机将采集到的脑电数据通过串口无线模块进行传输，传输速率为：

式中：data为每秒传输的数据位;T为采样周期;ch为脑电电极的导联数量[11]。本设计为8通道采集，采样率为512 Hz，T=0.001 953 125 s，代入式（2）计算得出数据传输速率为98 304 bit/s。所以传输速率只要达到115 200 bit/s即可满足系统的传输要求。

4.4  软件处理流程

系统的软件设计流程如图8所示。采集设备接通电源后进行系统初始化，初始化完成后检测电极和无线模块是否连接，若电极或无线模块没有连接则发出提示。待电极和无线模块都连接好后，等待开始采集指令，收到指令后进行脑电信号采集并通过无线模块按照数据传输协议将数据传输到上位机，同时将数据存储到SD卡。

5  结  语

本文利用石墨烯的优良导电特性设计制作了基于柔性石墨烯电极的便携式脑电采集系统。石墨烯电极具有良好的导电性、生物相容性、耐摩察性，长期与皮肤接触时信号也不会出现衰减，可以满足长期监测的要求。采用柔性石墨烯作为脑电电极设计了便携式脑电采集系统。利用高集成度的ADS1299作为模拟前端，极大地简化了电路设计并提高了抗干扰能力，可以对脑电信号进行高精度、低噪声的采集和处理，系统稳定可靠，电路板体积小。实验测试证明，石墨烯电极采集到的数据稳定准确，系统运行平稳，可以满足作为便携式脑电信号监测设备进行日常生活监测，亦可以推广应用到科研、医疗、教育等多个领域中，对脑电信号相关的研究与脑电相关医疗器械的研发具有较大的意义。

参考文献

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