干電極腦電采集技術的應用前景

干電極腦電采集技術的應用前景

干電極腦電采集技術隨著醫(yī)學、計算機科學、認知心理學和人工智能的發(fā)展，腦電（eeg）等重要的生理信號在醫(yī)學、臨床診斷和新腦機接口等領域越來越受到重視。作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的直接外在表征,腦電能反映出大腦皮層不同區(qū)域的活動狀態(tài),可用來檢測人的生理、心理狀態(tài)以及不同腦功能的腦區(qū)交互方式;可為癲癇、癡呆、腫瘤等腦部疾病或腦死亡提供診斷信息;可結合腦電解讀技術,完成腦與外部設備的直接通信,實現(xiàn)腦-機接口系統(tǒng)。作為上述應用的原始輸入信號,腦電的采集質量以及相關的采集環(huán)境限制,嚴重影響著各種腦電應用的可靠性和實用性。如何在保證腦電信號質量的同時,盡可能地減少采集環(huán)境的限制,從而擴大腦電應用的使用范圍,已成為腦電采集技術的一個重要課題。近些年,隨著微電子技術、微納科學技術和光電子技術的發(fā)展,一種新型的腦電采集技術——干電極腦電采集技術,已逐漸成為腦電采集領域的研究熱點。腦電是大腦皮層神經(jīng)細胞集群自發(fā)電活動傳遞至頭皮上的皮層電位,是一種微弱的電壓信號,可將電極放置在頭皮表面,通過腦電信號采集設備進行測量。傳統(tǒng)的腦電采集技術通常采用濕電極技術,被試者在進行腦電采集前,必須涂抹導電介質,該步驟是由人體頭部皮膚的高阻抗性所決定的。人體頭部皮膚包括表皮、真皮和皮下組織3部分。表皮又分為角質層和生發(fā)層。角質層主要是由死細胞組成,是造成頭皮高阻抗性的關鍵因素。涂抹導電介質的目的是為了降低角質層的超高阻抗,使放大器可以正常工作。但該過程需要在外人輔助下進行,時間花費較長,且導電介質的性能會隨時間變化;若采集時間過長,導電介質的導電性會下降或消失,使采集到的信號出現(xiàn)失真現(xiàn)象,從而影響腦電信號的采集質量。另外,傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)普遍采用有線通信方式,受環(huán)境制約較大,一般只能在特定場合進行腦電采集。相比傳統(tǒng)腦電采集技術,干電極腦電采集技術采用微針技術、超高輸入阻抗放大器以及光電傳感等技術,從而使腦電采集擺脫了對導電介質的依賴性,并且這種新型腦電采集技術采用無線通信技術,具有使用簡便、不易受環(huán)境制約的特點。1腦信號傳輸模塊干電極腦電采集系統(tǒng)主要由4部分組成:干電極、放大器、信號傳輸與電源。系統(tǒng)整體的工作流程為:將干電極貼附在頭皮以采集腦電信號,將腦電信號傳遞給放大器部分;放大器對信號進行放大、濾波處理及數(shù)/模轉換后,將信號繼續(xù)傳送給信號傳輸模塊;信號傳輸模塊負責將從放大器接收到的信號進行數(shù)據(jù)壓縮等處理,然后通過無線通信方式,將腦電信號傳送給信號處理系統(tǒng)進行存儲及其他后續(xù)處理;電源系統(tǒng)負責整個腦電采集系統(tǒng)的供電。下面將對這四部分的具體功能作一簡要介紹。1.1腦電導聯(lián)方式干電極是腦電采集系統(tǒng)與大腦相接觸的界面,它的功能是感知腦電,并將其轉換成易于測量和加工的電信號。為獲得一個電位信號,至少需要兩個測量電極,腦電是這兩個電極間的電位差。目前,常用的腦電導聯(lián)方式有兩種:單極導聯(lián)和雙極導聯(lián)。單極導聯(lián)是將活動電極放置于頭皮上,參考電極一般選取耳垂后部,記錄活動電極與參考電極之間的電位差;雙極導聯(lián)則是不使用固定參考電極,只使用頭皮上的活動電極,記錄兩個活動電極之間的電位差。1.2腦電確測器過濾器電極采集到的腦電頻率較低且十分微弱(μV級),為了對腦電進行各種處理,必須把腦電放大到所要求的強度。由于干電極腦電采集系統(tǒng)需要放置在頭部進行信號采集,因此要求放大器具有以下特性:較小的尺寸(便于攜帶)、較低的供電電壓(便于電池供電)、較低的功耗(便于長期工作)。根據(jù)腦電的特點,要求放大器還需具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲等特性,目前主要通過多級放大的形式實現(xiàn)。由于前置放大器的放大倍數(shù)通常不能太高,所以僅僅依靠前置放大,腦電的幅度仍然不夠,還需要對腦電進行增益可調(diào)的后級放大處理。另外,在腦電信號采集過程中,存在著若干噪聲信號的干擾,如人體肌電、接觸式噪聲(由電極與頭皮摩擦產(chǎn)生)、環(huán)境噪聲(由放大器等在信號處理過程中產(chǎn)生)與基線漂移等。克服噪聲對腦電的干擾,也是放大器部分需要解決的重要問題。目前通常在多級放大器中間增加相應的濾波器,以完成減少噪聲干擾的功能。放大器部分最后的任務是對腦電信號進行模/數(shù)(A/D)轉換,以便于后期的信號傳輸及腦電數(shù)據(jù)分析。1.3無線數(shù)據(jù)傳輸信號傳輸部分的功能,是把放大器處理過的腦電信號傳送給后端的腦電處理系統(tǒng)。傳統(tǒng)的腦電采集技術通常采用USB或串行口與后端計算機或其他腦電處理設備進行通信,但是這種方式容易使腦電應用受到環(huán)境和場地的制約。隨著無線通信技術的發(fā)展,越來越多的腦電采集系統(tǒng)采用無線技術,實現(xiàn)腦電數(shù)據(jù)的有效傳輸。由于長時間應用及便攜性的要求,通常要求信號傳輸系統(tǒng)具有微功率發(fā)射及體積小的特點。另外,由于腦電傳輸具有實時性要求高和數(shù)據(jù)傳輸量大的特點,因此對無線通信技術也提出了較高的要求,如有效數(shù)據(jù)壓縮,以提高傳輸速度和降低存儲空間、高抗干擾能力、低誤碼率、遠傳輸距離以及多通道等。現(xiàn)在采用的無線傳輸技術主要包括射頻技術(radio-frequency)和藍牙技術(blue-tooth)兩種。1.4電池放電能力電源部分主要是為放大器及信號傳輸部分提供電能。為了長時間采集腦電信號,電源應具備長時間供電的能力。由于干電極系統(tǒng)的便攜性需求,目前通常采用電池直流供電方式。電池通常有鎳氫電池與鋰電池兩種。鎳氫電池的優(yōu)點是價格較低,但是這種電池具有記憶效應,因此在充電前必須進行放電,且這種電池的重量相對較大。鋰電池的特點是容量高、循環(huán)壽命長且無記憶性,但是價格相對較高。2干電極技術根據(jù)干電極的工作原理,可以把目前的干電極腦電采集技術分為3類:基于微針的干電極技術、基于超高輸入阻抗放大器的干電極技術和基于光電傳感的干電極技術。下面將對不同的干電極腦電采集技術的工藝以及相應的放大器技術進行較為詳細的介紹。2.1微針干電極的制作微針技術是目前最普遍采用的干電極腦電采集技術,采用針式電極直接穿透角質層的方式,以克服角質層對腦電信號采集效果所帶來的影響。由于角質層的厚度一般為10~15μm,生發(fā)層的厚度一般為50~100μm,因此微針的長度一般在15~100μm之間。這種長度既可以穿透角質層,有效地獲取腦電信號,又能避免對頭部皮膚造成損傷。為了確保電極與頭部皮膚接觸的穩(wěn)定性,每個電極通常由多個微針構成的微針陣列組成,這種結構可以有效地提高信號采集的質量(如圖1所示)。由于該種電極直接與頭皮內(nèi)部接觸,容易引起交叉性感染,因此在可能的情況下,應盡可能使用一次性電極。目前,國際上用于制作微針干電極的材料主要有甲基丙烯酸甲酯、硅、二氧化鈦以及碳納米管等。為了防止在腦電信號采集過程中出現(xiàn)基線漂移現(xiàn)象,出于人體安全性考慮,通常還需要在微針表面電鍍某種生物相容性較好的材料,如金、銀、氯化銀等。圖2給出了兩種基于聚氨酯與硅材料的微針干電極結構示意圖。2.2傳感器及電極布置基于超高阻抗放大器技術的腦電采集系統(tǒng)的前端是指狀結構的生物傳感器(見圖3)。與基于微針干電極技術不同,指狀傳感器并不穿透角質層,只是確保傳感器與頭皮緊密接觸。指狀傳感器與其后端的電極連接,以完成感知腦電的作用。由于沒有涂抹導電膏,傳感器與角質層間的阻抗非常大(約為107Ω)。因此,對后端的放大器的輸入阻抗提出了很高的要求。傳統(tǒng)濕電極腦電采集設備的放大器的輸入阻抗約為108~1011Ω,而該種技術的放大器的輸入阻抗要求達到1012Ω,這種具有超高輸入阻抗的放大器使得這種干電極技術能夠精確地感知腦電細微的變化。與此同時,該種放大器還能夠有效地降低共模抑制比,以減少噪聲對腦電信號的干擾。2.3腦電電壓的變化規(guī)律,主要考基于光電傳感的干電極技術原理主要是利用特殊的有機材料(如聚丙烯酰胺等),依據(jù)在不同電壓下產(chǎn)生的電場的形變程度,感知腦電的變化。利用這種技術,當腦電電壓發(fā)生變化時,該有機材料的形狀也會發(fā)生相應的變化。這時,腦電采集設備內(nèi)置的光源模塊產(chǎn)生的光線通過這種有機材料,其光線強度和傳播路線會隨著材料的形變發(fā)生相應的變化,最后通過光線感知模塊感知光信號的效果,以計算出電極所感知的腦電信號的強弱(如圖4所示)。3間接性能分析法為驗證干電極腦電采集系統(tǒng)的性能,需要進行一系列的性能分析實驗。評估干電極所采集到的腦電信號的質量,通常采用干、濕電極腦電對比的方法。目前,比較常用的方法有2種,一種是直接信號比較法,另外一種是間接性能分析法。直接信號比較法是將干、濕電極同時放置在頭部的鄰近區(qū)域,在把干、濕電極采集到的信號進行濾波處理后,對各個頻段特別是低頻段的時域與頻域信息,通過制定某種指標(如相關系數(shù)等)將干電極信號與濕電極信號進行相似性比較,以判斷干電極采集到的腦電信號的精確性。圖5給出了臺灣交通大學開發(fā)的干電極在時序信號上與濕電極信號比較分析的示意圖,可以看出干電極與濕電極在時域信號上是十分相似的。圖6給出了同種干電極與濕電極在頻域上的比較示意圖,分析結果表明,干、濕電極在頻域特別是低頻段(1~30Hz)也是十分相似的。間接性能分析法是將干、濕電極采集到的腦電信號,針對某種腦電應用(如警覺度分析),在對干電極與濕電極得到的腦電信號進行相應處理后,通過最終應用輸出的結果進行比較分析,以得出干電極采集到的腦電信號的質量。多家研究機構的實驗比較分析表明,干電極腦電采集技術不但可以有效地克服濕電極技術涂抹導電介質的缺點,而且還能得到與濕電極腦電采集技術同樣理想的信號效果。有的研究甚至表明干電極采集到的信號比濕電極采集到的信號效果更好。4國外研究機構及產(chǎn)品隨著腦-機接口應用技術的迅速發(fā)展,全球投入研究和設計干電極腦電采集技術的研究機構也越來越多,下面對其中的一些研究機構及其產(chǎn)品做一簡要介紹。4.1干電極腦電采集設備臺灣交通大學是國際上較早從事腦電及其采集技術研究的機構。該機構于2008年推出了一種新型的無線可穿戴干電極腦電帽(如圖7所示)。這款產(chǎn)品是由6個微針型干電極組成,其中5個是活動電極,位于被試者的前額部,另外1個位于左耳后部,作為參考電極使用。目前,該腦電采集設備主要被應用于駕駛員警覺度檢測的研究。QUASAR是美國主要從事生物醫(yī)學應用產(chǎn)品研發(fā)的公司,該公司于2008年為美國國土安全局開發(fā)了一套干電極腦電監(jiān)視系統(tǒng)(如圖8所示),該系統(tǒng)基于超高輸入阻抗放大器技術。目前,這款新式的腦電設備主要被用于實時分析士兵在戰(zhàn)場中的大腦精神狀態(tài),為戰(zhàn)場指揮提供預警等輔助信息。IMEC是目前歐洲最大的微電子研究中心,該中心于2007年開發(fā)了一款用于人體健康狀況檢測的干電極腦電采集設備(見圖9)。這款產(chǎn)品由兩個電極組成,其最大的特點是利用熱電能原理,將人體前額產(chǎn)生的熱能轉化成其所需的電能進行供電,可以有效地減少電池供電所造成的不便。Emotive位于美國佛羅里達州,該公司主要從事人-機接口相關領域產(chǎn)品的開發(fā),先后于2007年和2008年推出了其設計的腦電采集設備(見圖10)。研究者主要使用這兩種設備對被試者的行為進行分析檢測,目前已經(jīng)被應用于游戲娛樂、表情識別等領域。EmSense是美國較早對腦電進行研究及對腦電相關設備進行研發(fā)的企業(yè),該企業(yè)于2008年研發(fā)出一種質量很輕的干電極腦電設備EmBandTM(如圖11所示)。這款產(chǎn)品主要用于檢測人們在觀看不同的影視節(jié)目(如廣告、電影等)時,對節(jié)目的喜好程度。與此同時,該設備還集成了對眼電、心率和呼吸等其他生理指標的檢測功能,使其能夠更好地檢測大腦在不同信息刺激時所產(chǎn)生的反應。Starlab公司坐落于西班牙,是一個主要從事各種生物傳感器研發(fā)及生產(chǎn)的企業(yè),該企業(yè)最近發(fā)布了其研發(fā)的腦電采集設備Enobio(如圖12所示)。Enobio由4個電極組成,其中3個位于前額,另外1個位于耳后,作為參考電極使用。該系統(tǒng)采用鋰電供電,具有較長的供電時間。目前,這款產(chǎn)品已經(jīng)在駕駛員的警覺度估計及腦電游戲等領域得到了有效的應用。除了上述研究機構以外,國內(nèi)的中國科學院半導體研究所也在從事“基于干電極及其陣列的腦電信號無創(chuàng)采集、傳輸和處理研究”課題的研究,另外,筆者所在的上海交通大學仿腦計算與機器智能研究中心承擔了上海市科委重點攻關項目“基于無線、可穿戴干電極腦電帽的駕駛員警覺度估計系統(tǒng)”的研究,該研究的一項重要內(nèi)容就是要開發(fā)干電極腦電采集系統(tǒng)。由于這些項目目前還處于研發(fā)階段,至今為止還沒有具體的產(chǎn)品問世。5腦電采集系統(tǒng)的應用領域干電極腦電采集技術克服了濕電極腦電采集設備使用復雜、易受環(huán)境制約等缺點,其應用領域十分廣闊,主要包括傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)的應用領域,以及傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)無法或不便涉及的一些應用領域。5.1干電極腦電檢查的應用可使醫(yī)學上的腦電檢查診斷更方便,為醫(yī)學上的腦電檢查設備及相關疾病現(xiàn)有醫(yī)學研究表明,當腦組織發(fā)生病理或功能改變時,腦電也會發(fā)生相應的改變,因此腦電檢查可以協(xié)助醫(yī)生對各種類型的腦科疾病(如癲癇﹑老年癡呆﹑腦炎﹑腦腫瘤﹑腦損傷及腦功能衰退等)評估、診斷與監(jiān)測,而干電極腦電采集技術的發(fā)展可以使醫(yī)學上的腦電診斷更加方便。5.2干電極腦電采集技術心理專家將腦電的波形、波幅、節(jié)律的絕對值和相對值與人的心理特征進行對照,發(fā)現(xiàn)腦電信號與人的心理特征在理論上密切相關,因此干電極腦電采集技術可以用于對特殊職業(yè)人員(如宇航員、特種兵和運動員等)的心理精神狀態(tài)進行實時監(jiān)測。另外,在現(xiàn)實生活中,有很多工作崗位需要工作人員保持較高的警覺度,如長途客車司機、飛行員等?？梢圆捎酶呻姌O腦電采集技術,結合腦電及其他生物信號特征,對特定崗位工作人員的疲勞程度進行實時監(jiān)測,以避免事故的發(fā)生。5.3交叉設備的使用干電極腦電采集技術是新型腦-機接口的核心技術之一。腦-機接口能為思維正常但有嚴重運動功能障礙的人提供一種與外界交流和控制的途徑。這種交流和控制方式可以把大腦活動的信息傳送出來,實現(xiàn)對外圍設備的控制,如殘疾人輪椅等。另外,傳統(tǒng)的腦癱、脊髓損傷等腦部疾病的殘疾人肌肉運動輔助康復技術通常需要他人輔助。腦-機接口為殘疾人提供了一種新型的自我訓練及康復的手段,而干電極腦電采集技術的研究使得這種康復方式更便于使用。5.4干電極腦電采集技術干電極腦電采集技術除了幫助殘疾人,還可以用于輔助正常人在特殊環(huán)境下控制外部設備,如外科醫(yī)生可以采用干電極腦電采集技術,直接通過腦電控制開關及轉換信號監(jiān)護儀等。另外,干電極腦電采集技術同樣可以應用于腦電游戲娛樂。腦-機接口技術為人們提供了一種全新的娛樂方式,人們可以利用腦-機接口取代原始的用手控制的方式,既不需要點擊鼠標或其他身體動作,也不需要說話,就可以方便自由地控制計算機,進行電子游戲娛樂。6需要解決的問題雖然近幾年干電極腦電采集技術有了快速的發(fā)展,但仍然不夠成熟,距離實際應用還有一定的距離,主要存在以下問題。6.1種采集方式基于微針的干電極技術具有原理簡單、信噪比高的優(yōu)點,但這種采集方式目前還難以解決人體頭發(fā)厚度差異的問題,因此該種技術的腦電信號采集區(qū)域主要集中于前額等毛發(fā)較少的位置。如何克服毛發(fā)干擾,是基于微針的干電極技術亟待解決的問題。6.2腦電阻噪聲基于超高輸入阻抗放大器的干電