生理電信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)介紹

在心電圖(ECG)、腦電圖(EEG)、肌電圖(EMG)等各類生理電信號(hào)應(yīng)用中，檢測(cè)電極與患者的連接狀態(tài)至關(guān)重要。生理電信號(hào)本身具有微弱、易受干擾的特性，無論是反映心臟電活動(dòng)的ECG信號(hào)、反映骨骼肌電活動(dòng)的EMG信號(hào)，還是反映大腦皮層電活動(dòng)的EEG信號(hào)，其精準(zhǔn)測(cè)量都高度依賴于從患者體表(或特定部位)到監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的低阻抗、穩(wěn)定導(dǎo)電通路。

生理電信號(hào)通常由兩個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)電極組成，用于采集對(duì)應(yīng)部位的電信號(hào)，監(jiān)測(cè)特定導(dǎo)聯(lián)(或通道)兩端的電壓變化。ECG系統(tǒng)監(jiān)測(cè)心臟電活動(dòng)，信號(hào)頻率0.05~100Hz，幅值0.1~2mV，電極多貼附于胸壁、肢體部位；EMG系統(tǒng)監(jiān)測(cè)骨骼肌收縮時(shí)的電信號(hào)，信號(hào)頻率20~500Hz，幅值50uV~5mV，電極需貼附于目標(biāo)肌肉表面；EEG系統(tǒng)監(jiān)測(cè)大腦皮層電活動(dòng)，信號(hào)頻率0.5~100Hz，幅值10~100uV，電極需固定于頭皮特定位置。除上述監(jiān)測(cè)電極外，通常還需配置參考電極或驅(qū)動(dòng)電極，其中右腿驅(qū)動(dòng)(RLD)電極是ECG系統(tǒng)中最常見的配置，其作用是將患者體表偏置至設(shè)定的直流工作點(diǎn)，確保輸入電位與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保持一致，抑制共模干擾；在EEG系統(tǒng)中，常采用耳垂、前額等部位作為參考電極，穩(wěn)定信號(hào)基線；EMG系統(tǒng)則可根據(jù)測(cè)量場(chǎng)景，選擇單極或雙極參考方式，減少環(huán)境干擾與肌電交叉干擾。若缺乏穩(wěn)定的直流偏置點(diǎn)或合適的參考電極，無論是ECG、EMG還是EEG輸入信號(hào)，其共模電平都將無法穩(wěn)定，可能導(dǎo)致信號(hào)在系統(tǒng)工作區(qū)間內(nèi)外浮動(dòng)，進(jìn)一步加劇信號(hào)失真。

目前，生理電信號(hào)監(jiān)測(cè)中常用的電極主要分為濕電極與干電極，其中濕電極應(yīng)用最為廣泛，借助醫(yī)用導(dǎo)電凝膠填充電極與皮膚之間的空隙，有效降低皮膚與電極間的接觸阻抗。但隨著使用時(shí)間推移，導(dǎo)電凝膠會(huì)逐漸干涸，濕電極的阻抗均會(huì)明顯上升；干電極無需依賴導(dǎo)電凝膠，通過電極本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如微針、梳狀)直接與皮膚接觸，實(shí)現(xiàn)生理電信號(hào)采集。干電極初始接觸阻抗較高，易受皮膚角質(zhì)層、毛發(fā)的影響，導(dǎo)致信號(hào)幅值衰減、基線漂移，對(duì)微弱信號(hào)(如EEG信號(hào))的采集精度影響較大；信號(hào)穩(wěn)定性較差，電極與皮膚的接觸易受輕微移動(dòng)等因素影響，易出現(xiàn)信號(hào)中斷或失真。因此，優(yōu)化電極設(shè)計(jì)、完善導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)機(jī)制，成為提升生理電信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)性能的重要方向。

LHE790X系列芯片(LHE7908、LHE7906、LHE7904)適用于心電圖機(jī)、動(dòng)態(tài)心電測(cè)量，LHE7909-X系列芯片(LHE7909-8、LHE7909-4)適用于腦電圖EEG、睡眠監(jiān)測(cè)、腦機(jī)接口BCI。LHE790X、LHE7909-X具備直流和交流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)功能，其中交流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)能在不干擾ECG/EEG/EMG采集的前提下，實(shí)現(xiàn)電極的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)和電極阻抗特性量化。

LHE790X、LHE7909-X直流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)

通過向每個(gè)電極注入微弱直流電流(或上/下拉大電阻)，監(jiān)測(cè)輸入直流電壓是否被拉離正常共模范圍。電極良好時(shí)電壓接近共模電平；脫落/開路時(shí)被拉至電源軌，超過閾值即判定導(dǎo)聯(lián)脫落。配置LOFF_FLIP寄存器可以控制INP,INN端電流方向。

圖1. 直流導(dǎo)聯(lián)脫落激勵(lì)配置

圖2. 直流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)原理框圖

COMP_TH[2:0]用于設(shè)置VTHH和VTHL，當(dāng)VINP 大于VTHH或者小于VTHL時(shí)，LOFF_STATP會(huì)置1；當(dāng)VINN 大于VTHH或者小于VTHL時(shí)，LOFF_STATN會(huì)置1。8個(gè)VINP 端的比較器輸出結(jié)果和8個(gè)VINN 端的比較器輸出結(jié)果分別存儲(chǔ)在寄存器LOFF_STATP和LOFF_STATN中，這兩個(gè)寄存器會(huì)作為輸出數(shù)據(jù)流的一部分。

采用直流激勵(lì)實(shí)現(xiàn)脫落檢測(cè)功能，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直流激勵(lì)完全落在 ECG、EEG、EMG 有效頻帶之外；能夠區(qū)分通道正極(INP)脫落/通道負(fù)極(INN)脫落；全程連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但直流激勵(lì)會(huì)引入一定直流失調(diào)，隨著電極阻抗的緩慢變化會(huì)引起基線漂移；干電極、干燥皮膚本身阻抗極高，使用直流激勵(lì)監(jiān)測(cè)易出現(xiàn)誤觸發(fā)脫落警告或無法判斷脫落狀態(tài)。

LHE790X/LHE7909-X交流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)

AC Lead-off Detect(交流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè))是通過向電極注入高頻交流信號(hào)，并測(cè)量其響應(yīng)幅值來判斷電極與人體接觸是否良好的硬件診斷機(jī)制。 它能在不干擾 ECG/EEG/EMG 信號(hào)的前提下，實(shí)時(shí)、靈敏地檢測(cè)電極脫落、接觸不良或高阻抗?fàn)顟B(tài)。

Vac=Iac×Ztotal

Iac：芯片內(nèi)部產(chǎn)生的交流激勵(lì)電流和頻率

Ztotal：正極電極阻抗 + 人體阻抗 + 負(fù)極電極阻抗

Vac：在通道輸入端產(chǎn)生的交流電壓

阻抗越大 → Vac 越大 → 判定為導(dǎo)聯(lián)脫落/接觸不良。其中正負(fù)電極阻抗不是電極導(dǎo)線的電阻，而是電極和皮膚之間的接觸阻抗，正常導(dǎo)電膏電極：5kΩ ~ 50kΩ ；皮膚干燥/沒貼緊：100kΩ ~ 500kΩ ；半脫落、翹邊：500kΩ ~ 2MΩ ；完全脫落懸空：10MΩ 以上。人體阻抗在交流激勵(lì)下約幾百歐姆~1KΩ，通?？珊雎浴?/p>

圖3. ACLO模塊原理框圖

芯片內(nèi)部產(chǎn)生的交流激勵(lì)電流經(jīng)外部阻抗在通道輸入端產(chǎn)生交流電壓Vac，和ECG、EEG、EMG信號(hào)同時(shí)經(jīng)過PGA放大，被Δ-Σ ADC量化。MODULATION輸出兩路數(shù)據(jù)流分別到ECG、EEG、EMG 通道和ACLO解調(diào)模塊。 利用(Δ-Σ)ADC過采樣的特點(diǎn)，ACLO解調(diào)模塊對(duì)MODULATION的數(shù)據(jù)流先進(jìn)行低通濾波，濾除量化噪聲。之后再經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器，該帶通濾波器會(huì)自動(dòng)對(duì)設(shè)置的交流激勵(lì)信號(hào)頻率進(jìn)行選擇。經(jīng)過帶通濾波器后，進(jìn)行數(shù)字全波整流得到16bits的AC AMPLITUDE，AC AMPLITUDE的大小與Vac幅度成線性關(guān)系。設(shè)置合適的比較器閾值THRESHOLD，比較器輸出ACLO FLAG值可以表征導(dǎo)聯(lián)連接狀態(tài)。AC AMPLITUDE和ACLO FLAG均按16Hz頻率更新。

當(dāng)ECG、EEG、EMG通道的輸出速率小于等于交流激勵(lì)頻率時(shí)，ECG、EEG、EMG CHANNEL模塊在交流激勵(lì)頻率點(diǎn)有數(shù)字陷波，因此交流激勵(lì)信號(hào)不會(huì)干擾到ECG、EEG、EMG信號(hào)測(cè)量。

8個(gè)通道有8組獨(dú)立的ACLO模塊，AC AMPLITUDE的值保存于8組寄存器中LOFF_DAT_CHn_HIGH和LOFF_DAT_CHn_LOW，n=1~8；8個(gè)ACLO FLAG狀態(tài)位保存在LOFF_STATP寄存器中；當(dāng)AC AMPLITUDE值大于設(shè)定的上限值或小于設(shè)定的下限值，ACLO FLAG會(huì)置1，否則為0。

GPIO1~GPIO4其中一個(gè)可以配置為輸出LOFF_STATP寄存器中各位或運(yùn)算的結(jié)果，可作為主機(jī)的中斷信號(hào)。

使用純電阻模擬電極阻抗測(cè)試ACLO模塊的功能。如圖4所示，其中R1可變，R1阻值以50KΩ步進(jìn)，模擬患者與電極之間導(dǎo)電通路變?nèi)醯男袨椤?/p>

AVDD=2.5V;AVSS=-2.5V;內(nèi)部參考電壓2.4V;采樣率500SPS(LP模式)；通道增益2；

配置交流激勵(lì)頻率1kHz，電流值50nA，使能INP和INN交流激勵(lì)信號(hào)。主機(jī)定時(shí)讀取AC AMPLITUDE CODE。

圖4. 模擬阻抗變化連接圖

圖5. 輸入阻抗vs AC AMPLITUDE CODE測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出ACLO處理模塊可以線性的量化輸入阻抗的變化，可以根據(jù)讀取到的AC AMPLITUDE CODE評(píng)估量化電極阻抗。

AC Lead-off Detect技術(shù)是激勵(lì)為交流信號(hào)，不會(huì)產(chǎn)生OFFSET；對(duì)干電極或容性耦合電極檢測(cè)敏感穩(wěn)定；可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的阻抗連續(xù)監(jiān)測(cè)；但本質(zhì)上是對(duì)AINP與AINN電壓差量化后的數(shù)字處理，因此不能識(shí)別出脫落狀態(tài)是在AINP還是AINN端。

結(jié)論

在ECG、EEG、EMG測(cè)量系統(tǒng)中，確保電極連接可靠對(duì)測(cè)量系統(tǒng)至關(guān)重要。電極與人體之間的傳導(dǎo)路徑接觸不良會(huì)引起輸入阻抗發(fā)生變化，這一狀態(tài)必須在信號(hào)采集過程中要被及時(shí)識(shí)別。否則，最終得到的波形將無法準(zhǔn)確反映患者的真實(shí)生理電信號(hào)。

直流導(dǎo)聯(lián)脫落對(duì)生理電信號(hào)本身的影響較?。坏摲椒〞?huì)引入額外的失調(diào)誤差，并可能增加系統(tǒng)總噪聲。交流導(dǎo)聯(lián)脫落在數(shù)字域做了更多后處理，將激勵(lì)信號(hào)與心電信號(hào)分離開，得到交流激勵(lì)信號(hào)的幅度，同時(shí)交流激勵(lì)不會(huì)干擾正常ECG、EEG、EMG信號(hào)采集。

LHE790X、LHE7909-X系列芯片已集成導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)所需電路，同時(shí)支持直流與交流兩種檢測(cè)方式，可通過芯片內(nèi)部寄存器靈活開啟或關(guān)閉相關(guān)功能，為ECG、EEG、EMG設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的導(dǎo)聯(lián)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和量化評(píng)估導(dǎo)聯(lián)阻抗功能。