ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11

УДК: 004.032.26; 621.396

РАЗРАБОТКА АКТИВНЫХ РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНЫХ

ЭЛЕКТРОДОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ

МЕТОДОВ МИНИМИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОДНЫХ ШУМОВ

В СИСТЕМЕ РЕГИСТРАЦИИ ЭЭГ СИГНАЛОВ «OPEN BCI»

Д.В. Журавлев, А.Н. Голубинский, Н.А. Летов

Воронежский государственный технический университет

394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84

Статья поступила в редакцию 5 сентября 2025 г.

Аннотация. Представлены разработанные применительно к системе интерфейса «мозг-компьютер» на основе аппаратного решения проекта «OpenBCI» (плата регистрации «Cyton») активные резистивно-емкостные электроды с единичным коэффициентом усиления. Также представлены варианты схемотехнической реализации общего (референтного) электрода и электрода активного помехоподавления. Описаны как схемотехнические, так и конструкторско-технологические решения печатных плат разработанных электродов. Проведено комплексное исследование влияния различных вариантов подключения к плате регистрации и схемотехнических исполнений электродов на такие параметры, как коэффициент ослабления синфазных сигналов, отношение сигнал/шум, коэффициент шума, фактор шума. Проведено имитационное моделирование и расчет параметров предложенных вариантов подключения электродов к усилителям биопотенциалов. Исследованы как монополярные, так и биполярные способы подключения электродов. Также исследованы варианты включений с использованием дополнительного электрода смещения (шумоподавления) и без него. Выявлены способы подключений и схемотехнической реализации, позволяющие добиться наилучших значений рассматриваемых параметров. Изготовлены макеты электродов и проведены натурные эксперименты при непосредственной регистрации сигналов всей системой «Open BCI». Проведены расчеты рассматриваемых параметров. В результате измерений на практике подтверждена эффективность разработанных способов подключений электродов и вариантов их схемотехнических реализаций. Ценность данной работы состоит в том, что рассматриваемые параметры были рассчитаны непосредственно на всей системе регистрации, включающей в себя плату регистрации «Cyton» и разработанные резистивно-емкостные электроды с различными вариантами их подключений. Разработанная реализация электродов показала свою эффективность, работая в системе «Open BCI». При этом наилучшие значения измеряемых параметров, полученные после проведения натурных экспериментов, составили: 98,95 дБ для коэффициента ослабления синфазных сигналов, 0,421 дБ для коэффициента шума и 1,101 для фактора шума.

Ключевые слова: интерфейс «мозг-компьютер», резистивно-емкостные, емкостные, сухие активные электроды, плата «Cyton», коэффициент ослабления синфазных сигналов, коэффициент шума, фактор шума.

Финансирование: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-20168, https://rscf.ru/project/24-29-20168/.

Автор для переписки: Журавлев Дмитрий Владимирович, ddom1@yandex.ru

Литература

1. Arana-De-Las-Casas N.I. et al. Real-time mental workload measurement for four break configurations in cognitive tasks using the EEG-based workload index (EWI). – 2024.

2. Prado V. et al. A software to measure quantitative electroencephalogram during the performance of a psychological cognitive task using the OpenBCI hardware // Human Factors in Software and Systems Engineering. – 2022. – Т. 61. – №. 61.

3. Liu J., Li B., Cao J. Construct and Evaluate a Phone Dialing System Leveraging SSVEP Brain-Computer Interface // International journal of computers & technology. – 2023. – Т. 23. – С. 128-135.

4. Qiu J.M., Casey M.A., Diamond S.G. Assessing feedback response with a wearable electroencephalography system // Frontiers in Human Neuroscience. – 2019. – Т. 13. – С. 258.

5. Sahoo S. et al. IIST BCI Dataset-6 for Selected Common Odia words // Authorea Preprints. – 2024.

6. Официальный сайт проекта «OpenBCI». URL: https://github.com/OpenBCI/ (дата обращения: 01.09.2025).

7. Cardona-Álvarez Y.N. et al. A novel OpenBCI framework for EEG-based neurophysiological experiments // Sensors. – 2023. – Т. 23. – №. 7. – С. 3763.

8. Журавлев Д.В. Аппаратура для электроэнцефалографических исследований. – 2021.

9. Chi Y.M., Jung T.P., Cauwenberghs G. Dry-contact and noncontact biopotential electrodes: Methodological review // IEEE reviews in biomedical engineering. – 2010. – Т. 3. – С. 106-119.

10. Bednar T. et al. Common-mode voltage reduction in capacitive sensing of biosignal using capacitive grounding and DRL electrode // Sensors. – 2021. – Т. 21. – №. 7. – С. 2568.

11. Choi K.J., Sim J.Y. An 18.6-μW/Ch TDM-Based 8-Channel Noncontact ECG Recording IC With Common-Mode Interference Suppression // IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. – 2022. – Т. 16. – №. 6. – С. 1021-1029.

12. Официальное описание микросхемы ADS1299 на сайте производителя. URL: https://www.ti.com/product/ADS1299 (дата обращения: 01.09.2025).

13. Damalerio R.B. et al. Development of Low-Contact-Impedance Dry Electrodes for Electroencephalogram Signal Acquisition // Sensors. – 2023. – Т. 23. – №. 9. – С. 4453.

14. Abu-Saude M., Morshed B.I. Inductive Coupling of Bipolar Signals with a Conjugate Coil Pair for an Analog Passive ECG Sensor Using a PPy-Coated pvCNT Dry Electrodes // Sensors. – 2023. – Т. 23. – №. 11. – С. 5283.

15. Peng H.L. et al. Development of a flexible dry electrode based MXene with low contact impedance for biopotential recording // Measurement. – 2022. – Т. 190. – С. 110782.

16. Savchuk A. Development of a model of electric impedance in the contact between the skin and a capacitive active electrode when measuring electrocardiogram in combustiology // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2021. – Т. 110. – №. 5.

17. Wang Y. et al. Noncontact ECG measuring system based on capacitive PCB electrodes // The Proceedings of the 9th Frontier Academic Forum of Electrical Engineering: Volume I. – Singapore: Springer Singapore, 2021. – С. 607-615.

18. Официальное описание микросхемы TLC272 на сайте производителя. URL: https://www.ti.com/product/TLC272/ (дата обращения: 01.09.2025).

Для цитирования:

Журавлев Д.В., Голубинский А.Н., Летов Н.А. Разработка активных резистивно-емкостных электродов и исследование схемотехнических методов минимизации электродных шумов в системе регистрации ЭЭГ сигналов «Open BCI» // Журнал радиоэлектроники. – 2025. №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.33