EEG系统参考电极电路分析

李力嘉 伍玥

摘要：参考电极电路一直都是医用电子仪器课程的教学难点，同时相关教材一直缺乏对该电路进行详细的描述，同时对内置参数的选择也没有很详细的说明，对此，本文将基于脑电系统普遍采用的参考电极电路，分析该电路的特性即相关参数选择的原因。

关键字：ETI;CMPdL;接触阻抗;DILL

有两个因素限制了实际应用中医用电子仪器系统的CMRR值，它们分别是：组织

电极问阻抗（ETI）失配和电极的前置放大增益失配。由于EEG信号需要电极采集并需要通过导联线传输到后级系统，故这期间的器件失配将导致整个系统的CMRR降低。而器件的失配是不可避免的，故为了增大CMRR，需要在共模信号的干扰路径上想办法。参考电极电路就是一种用于增强CMRR的电路，它通过将共模输入信号通过参考电极反馈到检查者以抵消人体共模信号的大小来实现对共模信号的抑制作用。

参考电极电路的分析：

但作为用于人体生物电测量的医疗电子仪器，由于需要将电极直接与人体相连，必然使得人体成为测量电路的一部分，即有电流流过人體，这就存在对人体产生致命威胁的可能性。故GB9706.1-1995、2007标准规定了设备的患者漏电流以及患者辅助电流的交流电流不得超过0.1mA。因此，对于参考电极电路，引共模信号返回人体，更需要限制电流在0.1mA，以保障人体安全。一般，持续时间小于200ms时，5mA（60Hz）的电流并不会引起室颤，这对于50Hz信号同样适用。GB 9706.1所规定的0.hnA的安全电流指最大平均电流，瞬时电流只需要不超过5mA即可。

结合上述人体安全电流可知，Ro的选取需要以安全电流为标准。一方面需要要保证最大电流在5mA以下，同时需要让最大平均电流小于0.1mA。一般地Ro的需大于100kΩ。表1给出了当G 100时，Ro取不同值时参考电极电路的工作状态。to，t1分别对应电路的初始状态和建立稳态时间。表1G固定为100，Ro取不同值时参考电极电路工作状态

参照表1，为了使Ko的取值在100-500kΩ之间，参考电极电路中的Ro取值取在200kΩ左右。

由式3可知，理想状态下G的取值越大，共模衰减越理想。结合图1可知，G=R3/R4。由此R4越小，Rs越大，则G越大。但是R4过小，会在其上造成过多的功率损耗（电流增大导致），而Rs过大又容易引入外界噪声（单纯的电阻在反相放大器中会额外放大环境噪声），同时由于实际运放的开环放大倍数有限，过大的G值会导致参考电极电路不工作。故，综合考虑，R4的取值一般取10kΩ左右，而若用纯电阻，则R3的值一般不超过1MΩ。同时，当采用干电极时，如果电极偏移和电极阻抗失配同时存在时，在100kΩ-10MΩ这么大阻抗范围内，保证回路的稳定会变得非常困难。故，可以将R3更换为一个小值电容（一般在几个nF范围），利用容抗实现反馈，一方面满足低频的放大G值，一方面避免了高频信号的引入。介于此，Ro的取值也可以不采用单纯的大电阻，可以在电阻上并接一个小电容，以实现高阻抗，从而可以避免环境噪声的引入。

参考电极电路与使用在心电图机上的右腿驱动电路（DRL）类似，由于其在共模信号抑制上的作用突出，故常在采用电极和导联线检测生物信号的仪器上。在传输生物电信号时，由于生物电信号非常微弱，传输电缆均采用有屏蔽层，屏蔽层可以屏蔽外界电磁干扰，但是屏蔽层与芯线之间的分布电容也会引入干扰，此时需要引出参考电极电路跟随器输出反馈到屏蔽层，使屏蔽层电位抬高到与放大器内部输出电位，从而大大降低分布电容的影响。对此，多家芯片商给出了具体的解决方案（但多针对的是DRL电路），其实质就是在DRL电路上多引出一个输出线给屏蔽层。如TI公司就在其INA118的芯片资料里给出的DRL电路原理图。由于电路原理相同，故EEG的参考电极电路可参考此类解决方案加以改进设计。