基于eeg的便携式脑机接口设备研究

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1、基于EEG的便携式脑机接口设备研究：近年来，大量脑电识别及控制设备的出现将脑电控制技术推向了人机交互和虚拟现实的最前沿。本文对消费级的脑电设备做了大量研究，选择了三种有代表性的产品进行综合的分析比较，对于脑机接口技术在假肢控制、辅助交流、视频游戏等多个研究领域的应用具有重要的参考价值。　　关键词：EEG干态传感器湿态传感器电极放置系统　　：TN991.7：A：1007-9416(2011)11-0041-01　　　　脑机接口技术（BrainputerInterfaceBCI），是一种在大脑（动物的或人的）与外部设备之间建立通信通道进行信息传递及控制的交互技术。基于头皮脑电（EEG）

2、的脑机接口技术由于其无创性而受到广泛关注并成为研究热点。不过，医疗用途的EEG采集系统使用需要导电凝胶的电极，在粘贴和去除时很麻烦。本文深入研究了三种便携式的脑电图采集设备，分别是Mindset、NIA和EPOC。下面分别对这三种便携设备进行介绍。　　1、Mindset　　NeuroSky公司生产的Mindset外形类似一个标准的立体声无线耳机，能采集佩戴者前额部位（神经科学称之为FP1区）可用于研究领域的高精度脑电信号。Mindset通过干态电极传感器采集大脑产生的生物电信号，并将这些采集的信号送入ThinkGearTMASIC智能芯片，该芯片将混杂在信号中的噪音以及运动产生的扰

3、动进行滤除，并将有用信号进行放大，然后通过串行UART将采集到的数据无线发送到电脑、等智能设备，实现基于脑电波的人机交互，即通常所说的意念控制。　　Mindset不但能实时显示用户的原始脑电波数据，还能利用NeuroSky的eSenseTM专利算法将原始脑电波数据处理后，解读出描述使用者当前精神状态的“专注度”和“放松度”。“专注度”参数反映了使用者当前的注意力集中程度。“放松度”参数反映的是使用者的精神状态。心烦意乱、精神恍惚、焦虑、激动不安等精神状态以及感官刺激等都将降低放松度参数的数值[1]。此外，NeuroSky还提供了用于二次开发的开发工具包，可以通过编程的方式获取Min

4、dSet耳机输出的参数，以应用于相关软件。Mindset佩戴简单、使用方便、安全舒适，还可以作为无线耳机播放音乐。具备二次开发功能，其扩展性能能够用于脑机接口的相关应用，但由于只具备单EEG脑电通道，仅能完成两种情绪强度的检测。　　2、NIA　　OCZTechnology公司的脑电图耳机称为NIA(NeuralImpulseActuator)，它配有三个干态电极传感器和1个电脑接口的头带。干态电极不需要额外的导电介质，仅依靠头皮的油脂和汗液就能保证电极和头皮有效的接触。一方面增加了用户佩戴的舒适性，但是另一方面，由于它是有线设备，又降低了用户长时间使用的舒适感，因为连线限制了用户的

5、活动范围。　　OCZ的NIA透过肌肉的反应判定使用者的脑波为Alpha波或是Beta波，同时搭配眼球反应及眉部肌肉的侦测，来判断使用者所欲执行的动作[2]。但NIA不能探测认知状态，如专注度。此外，即使它能检测到运动神经的活动，但是无法分辨下颚的运动和眉毛运动的差异。　　3、EPOC　　EmotivSystem公司的EPOC采用14个湿态电极传感器采集受试者的头皮的脑电信号，是目前为止包含电极最多数量的脑电图耳机，与医疗水平的BCI系统采用19个电极具有可比性（不包括参考电极和地线）。14个电极按国际标准10-20系统放置。另外，两个参考电极置于左耳乳突处和右乳突，用于计算两侧乳突

6、的代数平均参考电压，帮助降噪[3]。电极放置图如图1所示。　　EPOC能探测人脑12种运动想象，包括6个方向（向左，向右，向上，向下，向前，和放大）及6种旋转（顺时针旋转，逆时针旋转，左转，右转，向前摇摆，向后摇摆）。和Mindset相似，它也可以检测情绪，比如“兴奋”、“沮丧”等。此外，还可以检测面部表情，但表情的探测是通过EEG传感器从面部肌肉获取信号，而不是通过读取脑电波获得。因此，与解读心理活动不同，表情的解读非常快速（10ms）。利用双轴陀螺仪它还能测量头部的旋转角度。EPOC的多电极保证了更强的特征提取能力，其具有的应用程序编程接口，使更多的程序员能加入到这种人机交互的

7、设计中。但是它采用的是湿态电极传感器，在佩戴时在头皮和电极之间要使用电解质溶液以保证界面的良好接触以及增强导电性。虽然这会带来使用上的麻烦，但佩戴和信号稳定也只需要几分钟的时间。　　4、结语　　上述便携设备的出现使BCI的研究走向实用化迈出了重要一步。上述产品除了用于视频游戏外，借助其良好的操作界面和软件开发平台，还可方便地进行功能扩展，为运动功能障碍的残疾人提供生活辅助，提高他们的生活自理能力并尽可能改善他们的生活质量，同时也为正常人带来全新的人机交互体验。