Насколько активный электрод лучше пассивного сухого и хуже мокрого, что он на самом деле исправляет, а что нет, и как собрать его под вашу плату своими руками.
У сухого контакта импеданс сотни килоом и больше. Пока сигнал идёт по проводу с таким сопротивлением источника, любой ток, наведённый на провод от проводки или от движения кабеля, превращается в напряжение: 1 нА наводки на 500 кОм дают 500 мкВ. Повторитель на ОУ стоит прямо над контактом, у него входной ток доли пикоампера, а выходное сопротивление единицы ом. Дальше по кабелю идёт уже низкоомный сигнал, и тот же 1 нА даёт нановольты.
Второй эффект важен именно для вашей платы. Входной фильтр с конденсатором 1 нФ на землю теперь видит не сотни килоом электрода, а выход ОУ. Разбаланс между каналами определяется только допуском деталей фильтра, поэтому совет брать резисторы 0,1% и конденсаторы C0G здесь работает в полную силу.
Оценка шума одного канала (электрод минус опорный) в полосе 0,5–45 Гц. Шумы складываются по квадратам. Числа мои, по типичным значениям из литературы и даташитов, а не измерение на вашей плате. Порядок величин они показывают честно.
| Источник шума | Мокрые пассивные | Сухие активные | Сухие пассивные | Буфер помогает? |
|---|---|---|---|---|
| Шум контакта кожа–электрод | ≈0,7 мкВ | ≈2,8 мкВ | ≈2,8 мкВ | нет зависит от материала и нажима |
| Тепловой шум импеданса | 0,1 мкВ (10 кОм) | 0,9 мкВ (500 кОм) | 0,9 мкВ | нет физика резистора |
| Сетевые 50 Гц через разбаланс фильтра | 0,3 мкВ | ≈0 | ≈16 мкВ | да главный выигрыш |
| Наводка и движение кабеля | мало | ≈0 | десятки–сотни мкВ при движении | да |
| Смещение электрода по коже | мало, гель держит | большое | большое | нет нужна хорошая шапка и прижим |
| ОУ буфера | — | 0,2 мкВ | — | добавляет немного |
| АЦП ADS1299 | 0,14 мкВ (G=24) | ≈0,3 мкВ (G=8) | ≈0,3 мкВ | при сухих усиление приходится снижать |
Режекторный фильтр 50 Гц в программе снимает часть сетевой помехи у пассивных сухих, но гармоники 100/150 Гц и рывки от движения кабеля он не убирает.
Bioengineering (MDPI), прямое сравнение на одной установке. Отношение сигнал/шум при открытии и закрытии глаз: пассивные сухие 3,0 дБ, активные сухие 7,5 дБ, мокрые 10,6 дБ. Для SSVEP: 2,3, 5,8 и 10,1 дБ. Активные меньше всех ловили 50 Гц. Импеданс сухого электрода на волосах 122 кОм против 10 кОм у мокрого.
Psychophysiology, «High and dry?». Пассивные мокрые, активные мокрые и активные сухие на Pz в задаче oddball. P3 и спектр видны у всех трёх. У активных сухих заметно выше шум отдельной пробы, то есть для того же результата нужно больше повторов. Активные мокрые почти не отличались от пассивных мокрых.
J. Neurosci. Methods, активные и пассивные на одном усилителе. Пассивные дают самый чистый сигнал, но только при очень низком импедансе. Как только импеданс выше, лучше активные. При этом активные чуть хуже передавали быстрые изменения напряжения.
Psychophysiology, система с активными электродами BioSemi. При высоком импедансе вырос низкочастотный шум кожных потенциалов, особенно в тёплом помещении. Это пример того, что буфер не спасает от процессов в самой коже.
Коммерческие активные сухие для плат OpenBCI на ADS1299. Усиление буфера 0 дБ, полимерные штырьки, потребление 5 мВт на электрод. Производитель велит ставить усиление каналов не выше 8 и отключать BIAS на Cyton. Комплект на 8 каналов стоил 500 $ и сейчас распродан.
На форуме OpenBCI описаны активные электроды по схеме OpenEEG (Foltynski, доработка Hansmann): плата 19×19 мм, повторитель с усилением 1, медная заклёпка к сухому Ag/AgCl штырю, питание от AVDD/AVSS ±2,5 В платы Cyton, экранированный кабель. Меньше 5 $ за штуку.
У Low-Cost-EEG двуполярное аналоговое питание ±2,5 В, как у Cyton, поэтому самодельные схемы OpenBCI переносятся почти без изменений. Плату заказывать заново не нужно: сигнал идёт на те же штыри входов.
| ОУ | Входной ток | Шум 0,1–10 Гц | Потребление | Комментарий |
|---|---|---|---|---|
| OPA376 / OPA2376 (TI) | 0,2 пА | 0,8 мкВ размах | 0,76 мА | основной выбор самый тихий из доступных, до 5,5 В |
| AD8603 (ADI) | 0,2 пА | 2,3 мкВ размах | 40 мкА | если мало тока шум выше, но всё ещё ниже шума сухого контакта |
| OPA333, ADA4528 (чопперы) | пА, но с выбросами | очень низкий | 17 мкА–1,5 мА | не для сухих импульсы входного тока на сотнях килоом превращаются в шум |
| MCP6001 и подобные дешёвые | 1 пА | ≈6 мкВ размах | 0,1 мА | шумно сравнимо с самим сигналом |
Параметры по даташитам, округлены. Наличие на Чип и Дип нужно проверить, на AliExpress OPA376 и AD8603 встречаются, но берите у продавцов с отзывами: перемаркировка ОУ там частая.
Встроенный lead-off детектор подаёт ток в вход и смотрит падение напряжения. С буфером он увидит выход ОУ, а не кожу, и всегда будет показывать «отлично». Контакт придётся оценивать в программе: по постоянному смещению канала, по уровню 50 Гц и по дрейфу. Это решаемо, но работу надо сделать.
Вместо одного провода на электрод теперь четыре, и на голове 9 маленьких плат. Шапка тяжелее, кабельный жгут толще. Нужна шапка или обруч, который прижимает электроды, иначе выигрыш съедят артефакты смещения.
| Критерий | Мокрые пассивные | Полусухие активные | Сухие активные | Сухие пассивные |
|---|---|---|---|---|
| Качество сигнала | лучшее | почти как мокрые | на 3–4 дБ хуже мокрых | плохо на этой плате |
| Подготовка | 10–20 мин | 2–5 мин | 1–2 мин | 1 мин |
| Мыть голову | да | нет | нет | нет |
| Устойчивость к движению | хорошая | средняя | слабая | плохая |
| Контроль контакта | встроенный | в программе | в программе | встроенный |
| Цена на 9 электродов | 3–5 тыс. ₽ | 7–11 тыс. ₽ | 6–10 тыс. ₽ | 2–4 тыс. ₽ |
| Сложность | купить | паять и разводить | паять и разводить | купить |
Готовые варианты: ThinkPulse стоили 500 $ за 8 каналов и сейчас распроданы, в Россию их не возят. Olimex EEG-AE стоят 9 € за штуку и имеют открытые схемы, но сделаны под их плату EEG-SMT, а доставка в Россию сомнительна. Лабораторные g.SAHARA, actiCAP и BioSemi стоят тысячи евро.