基于eeg的便攜式腦機接口設備研究

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1、基于EEG的便攜式腦機接口設備研究：近年來，大量腦電識別及控制設備的出現(xiàn)將腦電控制技術推向了人機交互和虛擬現(xiàn)實的最前沿。本文對消費級的腦電設備做了大量研究，選擇了三種有代表性的產(chǎn)品進行綜合的分析比較，對于腦機接口技術在假肢控制、輔助交流、視頻游戲等多個研究領域的應用具有重要的參考價值。　　關鍵詞：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　　　　腦機接口技術（BrainputerInterfaceBCI），是一種在大腦（動物的或人的）與外部設備之間建立通信通道進行信息傳遞及控制的交互技術?；陬^皮腦電（EEG）

2、的腦機接口技術由于其無創(chuàng)性而受到廣泛關注并成為研究熱點。不過，醫(yī)療用途的EEG采集系統(tǒng)使用需要導電凝膠的電極，在粘貼和去除時很麻煩。本文深入研究了三種便攜式的腦電圖采集設備，分別是Mindset、NIA和EPOC。下面分別對這三種便攜設備進行介紹?！　?、Mindset　　NeuroSky公司生產(chǎn)的Mindset外形類似一個標準的立體聲無線耳機，能采集佩戴者前額部位（神經(jīng)科學稱之為FP1區(qū)）可用于研究領域的高精度腦電信號。Mindset通過干態(tài)電極傳感器采集大腦產(chǎn)生的生物電信號，并將這些采集的信號送入ThinkGearTMASIC智能芯片，該芯片將混雜在信號中的噪音以及運動產(chǎn)生的擾

3、動進行濾除，并將有用信號進行放大，然后通過串行UART將采集到的數(shù)據(jù)無線發(fā)送到電腦、等智能設備，實現(xiàn)基于腦電波的人機交互，即通常所說的意念控制?！　indset不但能實時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，可以通過編程的方式獲取Min

4、dSet耳機輸出的參數(shù)，以應用于相關軟件。Mindset佩戴簡單、使用方便、安全舒適，還可以作為無線耳機播放音樂。具備二次開發(fā)功能，其擴展性能能夠用于腦機接口的相關應用，但由于只具備單EEG腦電通道，僅能完成兩種情緒強度的檢測?！　?、NIA　　OCZTechnology公司的腦電圖耳機稱為NIA(NeuralImpulseActuator)，它配有三個干態(tài)電極傳感器和1個電腦接口的頭帶。干態(tài)電極不需要額外的導電介質(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，由于它是有線設備，又降低了用戶長時間使用的舒適感，因為連線限制了用戶的

5、活動范圍。　　OCZ的NIA透過肌肉的反應判定使用者的腦波為Alpha波或是Beta波，同時搭配眼球反應及眉部肌肉的偵測，來判斷使用者所欲執(zhí)行的動作[2]。但NIA不能探測認知狀態(tài)，如專注度。此外，即使它能檢測到運動神經(jīng)的活動，但是無法分辨下顎的運動和眉毛運動的差異?！　?、EPOC　　EmotivSystem公司的EPOC采用14個濕態(tài)電極傳感器采集受試者的頭皮的腦電信號，是目前為止包含電極最多數(shù)量的腦電圖耳機，與醫(yī)療水平的BCI系統(tǒng)采用19個電極具有可比性（不包括參考電極和地線）。14個電極按國際標準10-20系統(tǒng)放置。另外，兩個參考電極置于左耳乳突處和右乳突，用于計算兩側乳突

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能探測人腦12種運動想象，包括6個方向（向左，向右，向上，向下，向前，和放大）及6種旋轉（順時針旋轉，逆時針旋轉，左轉，右轉，向前搖擺，向后搖擺）。和Mindset相似，它也可以檢測情緒，比如“興奮”、“沮喪”等。此外，還可以檢測面部表情，但表情的探測是通過EEG傳感器從面部肌肉獲取信號，而不是通過讀取腦電波獲得。因此，與解讀心理活動不同，表情的解讀非常快速（10ms）。利用雙軸陀螺儀它還能測量頭部的旋轉角度。EPOC的多電極保證了更強的特征提取能力，其具有的應用程序編程接口，使更多的程序員能加入到這種人機交互的

7、設計中。但是它采用的是濕態(tài)電極傳感器，在佩戴時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導電性。雖然這會帶來使用上的麻煩，但佩戴和信號穩(wěn)定也只需要幾分鐘的時間?！　?、結語　　上述便攜設備的出現(xiàn)使BCI的研究走向實用化邁出了重要一步。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，還可方便地進行功能擴展，為運動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，同時也為正常人帶來全新的人機交互體驗。