EEG检测芯片系统传感器模块综述

传感器技术 2023-04-07 07:03

脑电（EEG）信号与生物体的生命状态密切相关，其具有非线性、幅值低、频率范围低、噪声强、随机性强等特点。随着医学、神经科学、认知心理学、微电子技术、人工智能研究等学科与技术的迅速发展，EEG信号的检测发挥着越来越重要的作用。EEG信号是脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映，作为人体体征信号中的一种典型信号，其包含了大量的神经电生理信息。对EEG信号进行采集与分析，一方面，对于临床医学尤其在抑郁症、癫痫、脑肿瘤、痴呆等诸多神经系统疾病的临床诊断中发挥着重要作用；另一方面，在脑科学研究与工程应用方面，EEG信号检测设备与人工智能（AI）技术相互融合促进，例如研究人员正在尝试通过提取EEG信号有关特征以实现脑机接口（BCI）通讯闭环控制。然而EEG信号是低频率低幅值的非平稳随机信号，很容易受到头皮与传感器之间接触状态的影响以及来自环境噪声等各类背景噪声的干扰，因此这些微弱的EEG信号需要被放大并进行一系列抗噪声处理。

因此基于EEG传感检测芯片构成的便携可穿戴EEG信号检测微系统有着良好的研发和应用前景，具有广泛的医学意义。文章对EEG检测芯片系统传感器模块进行了综述。

电极能够从头皮表面获取EEG信号，在EEG信号检测过程中发挥着重要的作用，其主要分为湿电极和干电极。传统的EEG信号采集方法通常使用湿接触电极，湿电极多年来一直是记录头皮表面EEG信号的最常用设备，然而这需要操作员花费时间将导电凝胶涂抹到每个测试位置，使用后凝胶的清理过程对于受试者来说也比较痛苦。因此，湿接触电极的使用过程非常繁琐，不方便神经系统疾病的诊断，特别是在需要长时间记录EEG信号的情况下（长时间使用的情况下导电凝胶会脱水凝固），所以传统湿电极不适合可穿戴EEG检测设备或系统。

为了克服传统湿电极的缺点，各类的新型干电极被研发出来，这些设计在消除电极对电解凝胶依赖的同时保证了低接触阻抗和良好的信噪比。根据电极与头皮的接触方式与程度进行分类，干电极主要分为两大类：（1）干接触电极，可以进一步被分为有创干接触电极与无创干接触电极；（2）无接触电极，通过“电容耦合”效应来感知头皮的生物电位信号，而无需直接与头皮接触，但是这种传感方法对于神经信号记录来说不够准确、可靠和灵敏。干接触电极大多需要穿过头发，通过直接接触头皮去感知EEG信号，但是由于不使用导电凝胶，直接贴在头皮上，电极与头皮之间的阻抗会非常大，这对传感后放大器模块的电路设计提出了挑战，需要优化匹配传感器与头皮之间的电气接口。同时如何最大可能地降低EEG检测过程中各类噪声引发的感知EEG信号污染，这也给电极的设计带来了困难。

由于头皮上的角质层会带来高阻抗，因此，一些研究主要集中在借助MEMS工艺技术制作微针或者纳米针穿透头皮的角质层，以此大幅度降低头皮与电极之间的阻抗，相比于无创直接贴合头皮获取EEG信号的平板干接触电极，通过微针电极获取的信号质量更好，然而其具备一定的刺穿性，存在感染的风险，同时电极制作的成本也很高。当然，如果电极微针的长度合适，使用者不会感到任何疼痛。为了避免疼痛，微针的长度最好不超过200μm，在理想情况下，穿透长度应减少至70μm，医学文献中报告的表皮层厚度仅为70μm。2002年斯德哥尔摩皇家理工学院课题组使用微针MEMS干电极成功采集前额EEG信号，并提出微针的尺寸与涂层材料和电极的接触阻抗有着密切的联系，干电极上的微针阵列如图1所示，该电极底层载体为一块圆形双面电路板，涂有Ag/AgCl涂层材料的微针附着在底层载体上，该MEMS干电极技术以侵入性的方式获取EEG信号。

常见的干接触电极还有无创干接触电极，与使用微针穿透头皮角质层的具有刺穿性的有创电极不同，无创干接触电极与头皮的接触面上不会有微针，接触面通常为基于柔性材料制作的平板结构，以此保证头皮与电极保持持续的紧密接触。由于电极与头皮的接触面没有涂抹导电膏，电极也没有穿透角质层感知EEG信号，因此电极的接触阻抗很大，这就要求后端放大器的输入阻抗足够大，以此匹配前端电极的阻抗。此外，电极与头皮面的接触状况会受到电极和头发之间摩擦的影响，所以突破“头发障碍”也是需要克服的困难。通常传感器的整体结构被设计为“指状”或者“梳状”，以保证电极穿越“头发障碍”，达到电极阵列更好地与头皮可靠接触的目的。

传统湿电极通过涂抹导电凝胶，填充头皮与电极之间的缝隙，构成导通电路，降低电极与头皮之间的接触阻抗，使用湿电极构成的EEG信号检测系统采集到的EEG信号质量最好，湿接触电极可以作为其他电极系统的标准。然而使用湿电极采集EEG信号存在电极使用前准备工作复杂繁琐以及使用后清理困难等问题，难以在日常生活中广泛使用；干电极不需要使用导电凝胶，但是也有信号质量差、噪声严重的问题。部分研究结合了“湿”（低阻抗）和“干”（无凝胶）电极系统的优点，研制了可以自动往电极-头皮接触面传输少量电解液的“半干电极”，以克服常规干接触电极和湿电极（Ag/AgCl）用于EEG信号记录的局限性，“半干电极”展现了EEG信号测试和应用开发的前景，是一种有使用前途的中间替代品。

无接触电容电极通过测量头皮表面和置于头发上的电极之间的电容来记录EEG信号，它依赖于检测位移电流，位移电流与EEG信号源相关的电场变化成正比。尽管有很多人认为无接触电极不适用于医疗级别的场景，对干接触电极的改善才是研究的主流，但也有很多科研人员仍然在研究无接触电极。湿电极和干接触电极都需要直接接触皮肤才能顺利工作，而无接触电极可以隔着衣服，头发等绝缘层工作，理论上更加方便、安全，也可以带给使用者更好的舒适感。

近几年，面向便携可穿戴设备的EEG信号采集有源电极系统也被报道了，有源电极系统集成了电极部分与传感后电路部分。这些有源电极系统充分考虑了头皮与传感器之间的接口阻抗模型，通过传感后电路结构改进去匹配实际的头皮与传感器之间的接口阻抗，以达到方便、准确、可靠、安全地优化EEG的感知。常见的满足EEG可穿戴设备的体表电极可分为以下几类：适合长期佩戴的金属板电极、低成本的一次性泡沫垫电极、可吸附在头皮的金属电极（不需要束带固定）、浮动电极（需要尽量减少运动伪影噪声）、柔性电极（佩戴舒适）和微针电极（皮下）。其中，可以滑动穿过头发的柔性金属/聚合物有源电极是进行高质量电极-头皮接触最常见的形式。2015年台湾图像与生物医学光电研究所提出了一种新型的梳状有源干电极，其原理图如图5所示，该电极适合测量毛发部位的脑电图。与其他梳状电极不同，通过集成有源电路，该电极表现出更优异的性能，避免了信号衰减、相位失真并降低了共模抑制比。即使在运动状态下，它也能有效地获取头皮的EEG信号。

除了传统的湿电极外，传感器还包括干电极、MEMS电极、柔性材料电极、梳妆结构电极、集成了传感后调理电路的有源电极等。电极未来的发展趋势是不同技术路线的互相融合，比如适合可穿戴设备的有源电极可以是不同材料、工艺与结构制作的干电极，并且可能采用与头皮接触性能更好的梳妆结构。对于 EEG 信号检测电极，其检测安全性、灵敏度、可靠度、电极与头皮的接触阻抗网络、电极极化电压需要根据 EEG 具体应用场景进行折中选择与优化。传感后调理电路主要包括微伏级 EEG 信号低噪声放大器、模 / 数转换电路 ADC 和无线射频电路。最为关键的放大器结构主要有直流耦合放大器结构，比如基于斩波稳定技术的直流耦合放大器，以及交流耦合放大器等结构。放大器通过电路结构的创新与电路具体指标的改善，实现低噪声生物放大器与前置传感器的联合优化设计，以改善放大器与传感器之间的接口阻抗匹配，降低放大器的等效输入噪声，消除或抑制电极失调电压，降低 CMRR、PSRR 和功耗，抑制输出纹波，调节低频带宽等关键参数。随着未来人工智能技术的发展，针对 EEG 具体应用场景的具有特征识别与归类功能的智能 EEG 信号检测芯片也在不断涌现。

来源：电子与封装王梓斌，刘国柱，孙建辉

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