免导电膏干式脑电电极结构及头皮阻抗自适应匹配方法与流程

本发明涉及脑电信号采集，具体为免导电膏干式脑电电极结构及头皮阻抗自适应匹配方法。

背景技术：

1、脑电信号是反映大脑神经活动的重要生理电信号，在脑机接口、睡眠监测及神经电生理检查等场景中具有广泛应用。传统的湿式脑电电极在测量前需要清理头皮并涂抹导电膏以降低接触阻抗，其操作过程繁琐，且随着导电膏逐渐干涸，信号质量会发生劣化，不适合受试者在日常环境中进行长时间的穿戴使用。免导电膏的干式电极虽然解决了上述使用便利性的问题，但由于缺少导电介质的缓冲，其导电触点受限于个体头皮形状、毛发密度以及佩戴位置的差异，电极与头皮界面的接触阻抗通常较高且容易发生波动，容易造成脑电信号的衰减。

2、为了降低干式电极的接触阻抗，现有的采集设备通常依靠外部头带或弹簧结构施加固定的机械静压力，使电极触点穿透毛发贴紧头皮。然而，固定的机械支撑无法适应长时间佩戴过程中由于受试者头部运动、头皮组织松弛等因素带来的贴合度改变，压力过小会导致接触不良，压力过大则会引起佩戴不适。部分技术方案引入了电机或电磁驱动装置来动态调节电极压力，但这些主动执行机构在运行调节或维持压力状态时需要持续消耗电能。驱动装置内部线圈产生的电磁辐射会直接串入微弱的模拟脑电信号中，形成难以通过常规滤波手段滤除的硬件干扰。

3、在电子学层面，干式电极高阻抗特性要求后端信号采集电路具备相应的阻抗匹配能力。在实际使用中，受接触界面物理状态改变的影响，电极的极化电容与接触电阻会发生动态偏移，导致固定的前端电路难以维持匹配状态。尤其在多通道脑电阵列采集系统中，不同采集通道所在位置的头皮接触状态存在明显差异，这种通道间的界面阻抗不平衡破坏了放大器输入端的对称性，导致系统对工频以及环境电磁噪声的共模抑制比大幅下降，最终使得有效脑电信号被共模干扰覆盖。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题在于，现有干式脑电电极在长时间佩戴过程中，受个体头皮状态差异、毛发阻挡及运动等因素影响，电极与头皮界面的接触阻抗易发生变化，导致脑电信号衰减；此外，现有的压力调节装置工作时易产生电磁噪声干扰信号，且在多通道采集场景中，通道间界面阻抗不平衡会引发共模干扰，降低信号采集质量。

2、为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

3、本发明第一方面提供一种免导电膏干式脑电电极结构，包括：

4、佩戴支撑结构；微执行器，设置于所述佩戴支撑结构的一侧；

5、均压背衬，设置于所述微执行器背离所述佩戴支撑结构的一侧；

6、电极基底，设置于所述均压背衬背离所述微执行器的一侧；

7、微触须阵列，设置于所述电极基底背离所述均压背衬的一侧，所述微触须阵列包括微触须及附着于所述微触须外表面的微纳结构；

8、阻抗感测单元，包括激励连接端、感测连接端及回流电极；

9、信号匹配单元，包括匹配网络、控制单元、前置放大器及共模驱动电路；

10、共模驱动电极；

11、所述阻抗感测单元与所述信号匹配单元分别设置于所述电极基底上；

12、所述激励连接端与所述感测连接端分别与所述微触须电连接；

13、所述微触须与所述匹配网络的输入端电连接，所述匹配网络的输出端与所述前置放大器的输入端电连接；

14、所述控制单元分别与所述阻抗感测单元、所述微执行器、所述匹配网络及所述共模驱动电路电连接；

15、所述共模驱动电路与所述共模驱动电极电连接。

16、本发明第一方面通过在电极基底与佩戴支撑结构之间设置微执行器，并结合阻抗感测单元与控制单元，实现了接触压力的动态调节。

17、阻抗感测单元获取头皮接触阻抗数据，控制单元据此驱动微执行器产生轴向位移，调节微触须阵列与头皮的贴合压力。

18、同时，信号匹配单元根据接触状态调整电路参数，实现机械结构与电路的协同匹配。

19、优选的，所述微执行器为断电自锁直线驱动器，所述微执行器的动力输出轴与所述均压背衬机械连接。

20、采用断电自锁结构的微执行器在达到目标位移后断开供电，可依靠自身机械阻力维持当前的贴合压力，降低了持续供电产生的功耗，并减少了电磁信号对脑电信号采集的干扰。

21、优选的，所述电极基底内设有第一独立导电通路与第二独立导电通路；

22、所述激励连接端通过所述第一独立导电通路与所述微触须电连接，所述感测连接端通过所述第二独立导电通路与同一所述微触须电连接。

23、该结构将激励电流回路与电压感测回路在微触须端分离，减少了导线自身及接触点分布阻抗对测量链路的影响，提高了阻抗测量的准确性。

24、优选的，所述前置放大器的内部电路设有输出门控开关及采样保持电路；所述输出门控开关串联于所述前置放大器的模拟信号输出链路上，所述采样保持电路并联于所述输出门控开关的输入端；

25、所述输出门控开关的控制端与所述控制单元电连接。

26、在执行器动作期间，输出门控开关阻断信号输出，采样保持电路维持断开前最后一个有效周期的电平，保持信号输出链路的基线稳定，减少瞬态噪声对后续电路的影响。

27、本发明第二方面提供一种头皮阻抗自适应匹配方法，应用于上述免导电膏干式脑电电极结构，包括以下步骤：

28、控制单元向阻抗感测单元发送阻抗检测指令，所述阻抗感测单元输出双频检测交流电，同步获取电压降数据，根据所述电压降数据计算欧姆分量与极化分量；

29、所述控制单元将所述欧姆分量与校准触发阈值进行比较；

30、在所述欧姆分量大于所述校准触发阈值且持续时间达到预设防抖时间时，所述控制单元生成盲区触发信号；

31、前置放大器接收所述盲区触发信号，断开模拟信号输出并保持当前输出电平；

32、所述控制单元向微执行器输出功率驱动信号，所述微执行器推动均压背衬、电极基底及微触须阵列产生轴向位移；

33、所述控制单元将实时计算的所述欧姆分量与迟滞退出阈值进行比较；

34、在所述欧姆分量小于或等于所述迟滞退出阈值时，所述控制单元将所述功率驱动信号置零；

35、所述阻抗感测单元输出单频检测交流电，获取低频接触阻抗幅值与阻抗相位；

36、所述控制单元根据所述低频接触阻抗幅值向匹配网络写入输入阻抗适配参数，根据所述阻抗相位向所述匹配网络写入相位补偿参数；

37、所述控制单元撤销所述盲区触发信号，所述前置放大器闭合模拟信号输出链路。

38、本发明第二方面的方法结合了阻抗检测、压力调节与电路参数配置。

39、利用欧姆分量作为触发基准，减少了极化电容引起的误判；

40、通过设置盲区阻断执行器动作期间的干扰；

41、在压力调节完成后更新匹配网络的参数，实现了机械与电路两方面的阻抗匹配。

42、优选的，所述根据所述电压降数据计算欧姆分量与极化分量，包括：

43、提取两个角频率下的所述电压降数据，计算对应角频率的头皮接触阻抗总幅值；

44、根据头皮接触阻抗总幅值的平方等于欧姆分量平方与极化分量平方之和的代数关系式，构建二元联立方程组；

45、求解所述二元联立方程组，分离出所述欧姆分量的数值与所述极化分量的数值。

46、该步骤通过双频数据计算欧姆分量，排除了单频检测时极化效应对阻抗评估的影响，提高了接触状态判断的准确性。

47、优选的，所述前置放大器接收所述盲区触发信号，断开模拟信号输出并保持当前输出电平，包括：

48、所述控制单元向所述前置放大器内的输出门控开关发送关断电平；

49、所述控制单元向所述前置放大器内的采样保持电路发送保持指令；

50、所述采样保持电路将所述输出门控开关断开前最后一个采样周期的脑电信号数值锁定，并作为所述前置放大器的输出电平。

51、该过程在电极调节期间屏蔽了输出端的电学扰动，保证了采集系统的基线稳定。

52、优选的，所述控制单元向微执行器输出功率驱动信号，包括：

53、计算所述欧姆分量与所述迟滞退出阈值的差值；将所述差值输入比例积分控制模型，计算得到驱动功率值；

54、将所述驱动功率值转换为对应占空比的脉宽调制信号，作为所述功率驱动信号输出至所述微执行器。

55、该步骤根据阻抗差值动态调节驱动信号，使微执行器的推进力度保持平稳，避免局部受压过大。

56、优选的，所述方法还包括：

57、获取多个不同干式脑电电极结构中阻抗感测单元测得的所述低频接触阻抗幅值；

58、计算上述多个所述低频接触阻抗幅值中的最大差值；

59、将所述最大差值乘以预设比例系数得到反相补偿增益；

60、在所述反相补偿增益小于增益限幅阈值时，将所述反相补偿增益写入共模驱动电路；

61、在所述反相补偿增益大于或等于所述增益限幅阈值时，将所述增益限幅阈值写入所述共模驱动电路。

62、该步骤根据不同通道间的阻抗差值调节共模驱动电路的增益，改善了多通道采集时的共模抑制效果。

63、优选的，所述前置放大器闭合模拟信号输出链路之后，所述方法还包括：启动内部计时器进行计时；

64、将所述内部计时器的当前计时值与预设轮询周期进行比较；

65、在所述当前计时值等于所述预设轮询周期时，将所述内部计时器清零，并控制所述阻抗感测单元输出所述双频检测交流电以启动下一次欧姆分量与极化分量的计算。

66、该步骤通过周期性检测，使系统能够在信号采集过程中定期检查并维持阻抗匹配状态。

67、本发明提供了免导电膏干式脑电电极结构及头皮阻抗自适应匹配方法。具备以下有益效果：

68、1.本发明通过在佩戴支撑结构与均压背衬之间设置微执行器，结合阻抗感测单元与控制单元，能够根据实时检测到的头皮接触阻抗欧姆分量，动态改变微触须阵列与头皮的贴合压力。同时，系统配合信号匹配单元对输入阻抗和相位进行电子学重构，实现了物理结构调压与电路参数匹配的协同工作，从而在应对个体差异及运动干扰时保持脑电信号采集链路的稳定。

69、2.本发明的微执行器采用断电自锁直线驱动器，并在前置放大器内部设置输出门控开关与采样保持电路。当系统触发机械调节时，采样保持电路锁定断开前的基线电平以隔离瞬态机电噪声；调节完成后切断驱动器供电，依靠机械阻力维持当前压力。这种结构设计屏蔽了压力调节过程中的电学扰动，并消除了持续供电产生的电磁干扰和额外功耗。

70、3.本发明通过阻抗感测单元注入双频检测交流电以分离欧姆分量与极化分量，排除了极化效应对阻抗评估的干扰，提高了接触状态判断的准确性。此外，在多通道采集场景中，系统提取各通道低频接触阻抗的最大差值，据此自适应计算反相补偿增益并写入共模驱动电路，改善了因通道间界面阻抗不平衡引起的共模干扰，提高了信号信噪比。