基于eeg的便攜式腦機(jī)接口設(shè)備研究

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1、基于EEG的便攜式腦機(jī)接口設(shè)備研究：近年來(lái)，大量腦電識(shí)別及控制設(shè)備的出現(xiàn)將腦電控制技術(shù)推向了人機(jī)交互和虛擬現(xiàn)實(shí)的最前沿。本文對(duì)消費(fèi)級(jí)的腦電設(shè)備做了大量研究，選擇了三種有代表性的產(chǎn)品進(jìn)行綜合的分析比較，對(duì)于腦機(jī)接口技術(shù)在假肢控制、輔助交流、視頻游戲等多個(gè)研究領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值?！　￡P(guān)鍵詞：EEG干態(tài)傳感器濕態(tài)傳感器電極放置系統(tǒng)　?。篢N991.7：A：1007-9416(2011)11-0041-01　　　　腦機(jī)接口技術(shù)（BrainputerInterfaceBCI），是一種在大腦（動(dòng)物的或人的）與外部設(shè)備之間建立通信通道進(jìn)行信息傳遞及控制的交互技術(shù)?；陬^皮腦電（EEG）

2、的腦機(jī)接口技術(shù)由于其無(wú)創(chuàng)性而受到廣泛關(guān)注并成為研究熱點(diǎn)。不過(guò)，醫(yī)療用途的EEG采集系統(tǒng)使用需要導(dǎo)電凝膠的電極，在粘貼和去除時(shí)很麻煩。本文深入研究了三種便攜式的腦電圖采集設(shè)備，分別是Mindset、NIA和EPOC。下面分別對(duì)這三種便攜設(shè)備進(jìn)行介紹?！　?、Mindset　　NeuroSky公司生產(chǎn)的Mindset外形類似一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的立體聲無(wú)線耳機(jī)，能采集佩戴者前額部位（神經(jīng)科學(xué)稱之為FP1區(qū)）可用于研究領(lǐng)域的高精度腦電信號(hào)。Mindset通過(guò)干態(tài)電極傳感器采集大腦產(chǎn)生的生物電信號(hào)，并將這些采集的信號(hào)送入ThinkGearTMASIC智能芯片，該芯片將混雜在信號(hào)中的噪音以及運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擾

3、動(dòng)進(jìn)行濾除，并將有用信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過(guò)串行UART將采集到的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送到電腦、等智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基于腦電波的人機(jī)交互，即通常所說(shuō)的意念控制?！　indset不但能實(shí)時(shí)顯示用戶的原始腦電波數(shù)據(jù)，還能利用NeuroSky的eSenseTM專利算法將原始腦電波數(shù)據(jù)處理后，解讀出描述使用者當(dāng)前精神狀態(tài)的“專注度”和“放松度”?！皩Ｗ⒍取眳?shù)反映了使用者當(dāng)前的注意力集中程度?！胺潘啥取眳?shù)反映的是使用者的精神狀態(tài)。心煩意亂、精神恍惚、焦慮、激動(dòng)不安等精神狀態(tài)以及感官刺激等都將降低放松度參數(shù)的數(shù)值[1]。此外，NeuroSky還提供了用于二次開發(fā)的開發(fā)工具包，可以通過(guò)編程的方式獲取Min

4、dSet耳機(jī)輸出的參數(shù)，以應(yīng)用于相關(guān)軟件。Mindset佩戴簡(jiǎn)單、使用方便、安全舒適，還可以作為無(wú)線耳機(jī)播放音樂(lè)。具備二次開發(fā)功能，其擴(kuò)展性能能夠用于腦機(jī)接口的相關(guān)應(yīng)用，但由于只具備單EEG腦電通道，僅能完成兩種情緒強(qiáng)度的檢測(cè)。　　2、NIA　　OCZTechnology公司的腦電圖耳機(jī)稱為NIA(NeuralImpulseActuator)，它配有三個(gè)干態(tài)電極傳感器和1個(gè)電腦接口的頭帶。干態(tài)電極不需要額外的導(dǎo)電介質(zhì)，僅依靠頭皮的油脂和汗液就能保證電極和頭皮有效的接觸。一方面增加了用戶佩戴的舒適性，但是另一方面，由于它是有線設(shè)備，又降低了用戶長(zhǎng)時(shí)間使用的舒適感，因?yàn)檫B線限制了用戶的

5、活動(dòng)范圍?！　CZ的NIA透過(guò)肌肉的反應(yīng)判定使用者的腦波為Alpha波或是Beta波，同時(shí)搭配眼球反應(yīng)及眉部肌肉的偵測(cè)，來(lái)判斷使用者所欲執(zhí)行的動(dòng)作[2]。但NIA不能探測(cè)認(rèn)知狀態(tài)，如專注度。此外，即使它能檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的活動(dòng)，但是無(wú)法分辨下顎的運(yùn)動(dòng)和眉毛運(yùn)動(dòng)的差異。　　3、EPOC　　EmotivSystem公司的EPOC采用14個(gè)濕態(tài)電極傳感器采集受試者的頭皮的腦電信號(hào)，是目前為止包含電極最多數(shù)量的腦電圖耳機(jī)，與醫(yī)療水平的BCI系統(tǒng)采用19個(gè)電極具有可比性（不包括參考電極和地線）。14個(gè)電極按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10-20系統(tǒng)放置。另外，兩個(gè)參考電極置于左耳乳突處和右乳突，用于計(jì)算兩側(cè)乳突

6、的代數(shù)平均參考電壓，幫助降噪[3]。電極放置圖如圖1所示?！　POC能探測(cè)人腦12種運(yùn)動(dòng)想象，包括6個(gè)方向（向左，向右，向上，向下，向前，和放大）及6種旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，向前搖擺，向后搖擺）。和Mindset相似，它也可以檢測(cè)情緒，比如“興奮”、“沮喪”等。此外，還可以檢測(cè)面部表情，但表情的探測(cè)是通過(guò)EEG傳感器從面部肌肉獲取信號(hào)，而不是通過(guò)讀取腦電波獲得。因此，與解讀心理活動(dòng)不同，表情的解讀非?？焖伲?0ms）。利用雙軸陀螺儀它還能測(cè)量頭部的旋轉(zhuǎn)角度。EPOC的多電極保證了更強(qiáng)的特征提取能力，其具有的應(yīng)用程序編程接口，使更多的程序員能加入到這種人機(jī)交互的

7、設(shè)計(jì)中。但是它采用的是濕態(tài)電極傳感器，在佩戴時(shí)在頭皮和電極之間要使用電解質(zhì)溶液以保證界面的良好接觸以及增強(qiáng)導(dǎo)電性。雖然這會(huì)帶來(lái)使用上的麻煩，但佩戴和信號(hào)穩(wěn)定也只需要幾分鐘的時(shí)間?！　?、結(jié)語(yǔ)　　上述便攜設(shè)備的出現(xiàn)使BCI的研究走向?qū)嵱没~出了重要一步。上述產(chǎn)品除了用于視頻游戲外，借助其良好的操作界面和軟件開發(fā)平臺(tái)，還可方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展，為運(yùn)動(dòng)功能障礙的殘疾人提供生活輔助，提高他們的生活自理能力并盡可能改善他們的生活質(zhì)量，同時(shí)也為正常人帶來(lái)全新的人機(jī)交互體驗(yàn)。