李力嘉 毛政凯

摘    要：脑电信号采集的前级缓冲电路在实际的教学过程中不是一个教学难点，但是确实分析实际复杂电路的一个切入点和引导学生如何将理论知识和实际问题想联系的一个很好入门的桥梁。本文将对这一电路按照引导学生掌握电路拓扑及参数选择的原因的思路进行分析，以提供一种教学过程的参考。

关键字：等效电路;湿电极;极化电压;阻抗

一、引言

体表脑电图通过电极与头皮接触采集脑电信号，在此过程中，皮肤和电极之间会产生极化电压，该电压可以用一个复阻抗和一个直流电压源进行等效，如图1所示。通过该等效电路可以计算出各个不同电极连接形式的阻抗，如图2所示。

可见，在满足用户舒适度的同时，需要牺牲信号质量，这也是现有的EEG系统所面临的主要缺陷，不过所有的工业设计都是多种利弊权衡取舍的结果。正如在临床上应用最为广泛的是湿电极，湿电极利用导电凝胶可以有效地降低皮肤与电极之间的接触阻抗，同时可以降低由导联电缆移动造成的伪影。湿电极的使用需要备皮，并需要专业人员进行电极的安装，另外，凝胶容易干，故为了保证获得的脑电信号完整性需要频繁地更换电极，但是，如此的操作保障了脑电信号的质量，却严重降低了病患的舒适度，对于需要长期监护采集的情形更是不方便，适合于在医院使用，在穿戴式便携设备上却不适合。

因此接收折中是必须的，同时也要有针对缺陷的解决办法。前级缓冲电路就是其中的一个，它从输入级开始提升系统获取信号的能力。在实际教学过程中，学生不能很好的理解折中的设计思想，针对缓冲级电路，对其构成和参数的选择均不是特别清楚。对此本文将对此做较为详尽的分析，以为各学校课程教学提供参考。

二、前级缓冲电路的结构选择及参数选择分析

前级缓冲几乎是所有低频小信号检测电路所必须的电路结构。人体生物电信号源自细胞跨膜物质转移中产生的离子动作电位，而相应信号传播到体表会被更加削弱。当从人体中检测获取生物电信号时，人体对于外界电路可以等效为一个有内阻的信号源。回顾图1和图2，用于测量生物電信号的测量电极会表现出一个很高的阻抗特性，而信号通过测量电极，最终是需要后续电路进行处理，故此处将电极及人体整体当做后续电路的信号源，而后续电路等效为该信号源的负载。如图3所示等效电路。

图中，Vsignal表示人体内产生的生物电信号，电极以湿电极为例，由图2可知，该情况下电极阻抗约为100kΩ，按照图中设置的信号参数，该信号的峰值为10μV，则其有效值约为7.071μV。RL表示后续电路的等效负载阻抗。此时，根据不同的RL值，测量RL上信号电压有效值，可得表1所示数据。

可见，对于后续电路而言，欲得到更好的信号质量，保障处理信号质量，需要后续电路有较高的输入阻抗。而单纯地使用无源器件增大输入阻抗会造成过多的损耗。对此，运放的高输入阻抗可以有效地解决这一问题。运放的同反相组态可以分析如下。图4、5分别是反相放大器和电压跟随器，图6、7分别是两个电路的等效电路。

显然，图4、5所示电路满足运放的线性区工作条件，因此运放的分析可以按照虚短、虚断进行分析。由图6、7所示等效电路可见，对于反相放大电路，其输入阻抗可约等于R1，而电压跟随器输入阻抗为运放同相端输入阻抗。理想状态下，电压跟随器输入阻抗为无穷大，对于实际运算放大器，该输入阻抗也在GΩ的量级，完全满足生物信号检测对前级输入阻抗的要求。在实际教学过程中，通过上述分析可以让学生知其然又知其所以然，比生硬地给出电路结构更容易让学生理解，同时通过这种方式，可以引导学生去分析由于前级缓冲电路故障而出现的电路故障现象及思考排除方法，容易和基于工作过程的教学模式联系起来。

三、结语

在医疗电子仪器的教学中，涉及到很多实际电路的教学，我们不但需要分析电路自身的原理问题，更应该引导学生养成实际工程中的分析思想，让学生懂得折中取舍是工程设计的关键，里面凝聚了工程师的扎实的理论基础和丰富的经验，而不是理论知识的生搬硬套。前级电路虽然简单，但是其分析思想却是分析实际复杂电路的一个切入点和引导学生如何将理论知识和实际问题想联系的一个很好入门的桥梁，同样值得我们关注与重视。