ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 11 · БИОМЕДИЦИНСКАЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Разработка активных резистивно-емкостных электродов и исследование схемотехнических методов минимизации электродных шумов в системе регистрации ЭЭГ сигналов "Open BCI"

Д.В. Журавлев1, А.Н. Голубинский1, Н.А. Летов1

1 Воронежский государственный технический университет, Воронеж, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.33 УДК 004.032.26 EDN ZMFKPU

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.

  • интерфейс "мозг-компьютер"
  • резистивно-емкостные
  • емкостные
  • сухие активные электроды
  • плата "Cyton"
  • коэффициент ослабления синфазных сигналов
  • коэффициент шума
Abstract (in English)

Development of active resistive-capacitive electrodes and study of circuit engineering methods for minimizing electrode noise in the "Open BCI" EEG signal recording system

The article presents the developed active resistive-capacitive electrodes with a single gain. The electrodes are intended for use in the brain-computer interface system based on the hardware solution of the “OpenBCI” open project (Cyton registration board). Options for the circuit design of a common (reference) electrode and an active noise reduction electrode are also presented. Both circuit design and technological solutions of printed circuit boards of the developed electrodes are described. A comprehensive study has been conducted on the effect of various connection options to the registration board and circuit designs of electrodes on parameters such as Common Mode Rejection Ratio, signal-to-noise ratio and Noise factor. Simulation modeling and calculation of the parameters of the proposed options for connecting electrodes to biopotential amplifiers have been carried out. Both monopolar and bipolar methods of connecting electrodes have been investigated. Options with and without an additional bias electrode (noise reduction) have also been investigated. Connection methods and circuit design have been identified to achieve the best values of the parameters under consideration. Mock-ups of electrodes were made and field experiments were carried out with the direct recording of signals by the entire “Open BCI” system. Calculations of the considered parameters are carried out. As a result of measurements, the effectiveness of the developed methods of connecting electrodes and their circuit design options has been confirmed in practice. The value of this work lies in the fact that the parameters under consideration were calculated after recording the signals from the Cyton board as they passed through the entire system, including resistive-capacitive electrodes and a recording board. The developed implementation of the electrodes has shown its effectiveness by working in the “Open BCI” system. The best values of the measured parameters obtained after field experiments were 98.95 dB for the Common Mode Rejection Ratio, 0.421 dB for the noise factor.

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

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).