近年來，在國外航空、航天領(lǐng)域中，腦機(jī)接口技術(shù)對(duì)于飛行人員的疲勞監(jiān)控起到了良好的作用。另外，在射箭運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，肌肉與力量并非獲勝的首要因素，能夠保證良好的定力與注意力是制勝的關(guān)鍵。在美國、韓國和歐洲的一些國家，專業(yè)射箭運(yùn)動(dòng)員使用腦機(jī)接口技術(shù)來訓(xùn)練大腦的集中度，該技術(shù)可以幫助運(yùn)動(dòng)員提高訓(xùn)練成績。除此之外，腦機(jī)接口技術(shù)在娛樂、教育、健康等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。因此該技術(shù)成為了目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
    腦機(jī)接口是一種可以在人腦與外部設(shè)備之間建立信息交互的系統(tǒng)。它將腦部發(fā)出的信息收集起來，經(jīng)過一系列的處理后來控制外部設(shè)備。目前臨床上采用的腦電記錄電極是銀-氯化銀濕電極，這種濕電極中的凝膠對(duì)皮膚具有一定的傷害，尤其是過敏性皮膚的人群。為此，本文提出的便攜式腦電采集器利用干電極腦電采集技術(shù)進(jìn)行腦波采集。干電極腦電采集技術(shù)采用超高輸入阻抗放大器以及光電傳感等技術(shù)，從而使腦電采集擺脫了對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)的依賴性，并且這種新型腦電采集技術(shù)采用無線通信技術(shù)，具有使用方便、不易受環(huán)境制約等特點(diǎn)。
1 腦機(jī)接口技術(shù)機(jī)理
    大腦中有數(shù)以百億計(jì)的神經(jīng)元，腦神經(jīng)信號(hào)是與大腦相關(guān)聯(lián)的生物信號(hào)，每個(gè)神經(jīng)元都可以產(chǎn)生微小的電場，腦波是許多微小信號(hào)的集合。腦波通常從頻域方面描述，受外部刺激和內(nèi)在精神狀態(tài)的影響，腦波的頻域、幅度變化很大。其中Delta、Theta、Alpha、Beta 和Gamma波是不同頻率腦波的名稱，它們與表1中描述的許多大腦狀態(tài)有關(guān)。基于上述機(jī)理，利用干電極腦電傳感器采集到原始腦電信號(hào)，通過信號(hào)處理技術(shù)把信號(hào)從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻域，然后按照頻率分離出Delta、Theta、Alpha、Beta 和Gamma 5種腦波，這樣就可以觀察到腦波頻率的分布，由此可利用這些腦波判定測試者的精神狀態(tài)。

2 便攜式腦電采集器設(shè)計(jì)
    便攜式腦電采集器的應(yīng)用特點(diǎn)要求盡量地減少其體積和重量。該設(shè)備要由電池供電，并且本身的電子元器件較多，因此，要設(shè)計(jì)一個(gè)輕巧、便攜的腦電采集設(shè)備，既能實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能，又要減小體積、重量，在技術(shù)上有一定難度?？紤]到以上因素，便攜式腦電采集器的殼體采用電路板材料，將部分電路布設(shè)在作為殼體存在的電路板上，從而減少了總體設(shè)備體積。
2.1 機(jī)械及電路設(shè)計(jì)
    精準(zhǔn)的殼體裝配尺寸對(duì)電路設(shè)計(jì)有很高的要求，為了解決這一問題，便攜式腦電采集器在設(shè)計(jì)過程中首先利用 CATIA V5軟件進(jìn)行三維CAD機(jī)械設(shè)計(jì)，在CATIA V5軟件中完成殼體的三維模擬裝配。其次，將CATIA V5生成的殼體圖紙導(dǎo)入Altium Designer電路設(shè)計(jì)軟件中，完成電路設(shè)計(jì)。該方法有效降低了電路設(shè)計(jì)中繪制殼體精準(zhǔn)尺寸的設(shè)計(jì)難度，充分發(fā)揮了CATIA V5和Altium Designer軟件的特長，使整個(gè)電路設(shè)計(jì)一次完成，降低了開發(fā)成本，縮短了研制周期。便攜式腦電采集器內(nèi)部集成了C8051F020微型控制單元， C8051F020主要負(fù)責(zé)原始腦電信號(hào)的預(yù)處理。內(nèi)部由鋰電池供電，電池容量為500 mAh，可保障設(shè)備連續(xù)工作10 h以上。
2.2 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計(jì)
    將電子元器件焊接到電路板上后，得到腦電采集電路，該電路負(fù)責(zé)原始腦電信號(hào)的采集。采集到的原始腦電信號(hào)由藍(lán)牙通信電路無線傳輸給上位機(jī)，為后續(xù)信號(hào)處理做準(zhǔn)備。藍(lán)牙通信電路的核心是HC-07。HC-07是串口與藍(lán)牙雙向轉(zhuǎn)化模塊，可將其RXD管腳收到的RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為藍(lán)牙信號(hào)傳輸出去，同時(shí)也可將藍(lán)牙接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232信號(hào)由其TXD管腳輸出給外部設(shè)備，其通信電路如圖1所示。

2.3 提高信噪比設(shè)計(jì)
    由于腦電信號(hào)十分微弱，易受到公頻噪聲的干擾，為提高信噪比，采用屏蔽線設(shè)計(jì)。設(shè)備使用時(shí)，作用電極應(yīng)接觸于人的前額位置。另外，在耳夾內(nèi)側(cè)有兩個(gè)鍍銀電極，分別稱為參考電極和接地電極，圖2中的耳夾應(yīng)夾到使用者左耳或右耳的耳垂位置，并使耳夾內(nèi)接地電極、參考電極與耳垂處皮膚充分接觸。利用作用電極、接地電極和參考電極來檢測原始腦電信號(hào)的設(shè)計(jì)，主要考慮到以下因素。

    便攜式腦電采集器檢測的是人體致密頭骨中思維活動(dòng)產(chǎn)生的生物電，即腦電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過致密的頭骨傳遞到頭部皮膚表面時(shí)，經(jīng)過衰減，信號(hào)非常微弱。而且腦電信號(hào)的頻率在100 Hz以下，這個(gè)頻段易受到50 Hz公頻噪聲的影響。為了解決這樣的問題，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，采用了三電極的結(jié)構(gòu)，即采集腦電信號(hào)時(shí)，同時(shí)使用作用電極、參考電極和接地電極。這樣便攜式腦電采集器內(nèi)部電路測量作用電極與接地電極之間的電壓，以及參考電極與接地電極之間的電壓，然后將兩值相減，得到作用電極與參考電極之間的電壓，即可排除使用者身上聚集的靜電荷與來自公頻（50 Hz）的干擾。
2.4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
    上位機(jī)程序流程圖如圖3所示。

      上位機(jī)程序由VC軟件開發(fā)，在該界面中可以繪制出佩戴便攜式腦電采集器的使用者腦波中的Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma信號(hào)，而且由這些信號(hào)曲線可得到注意力集中度和冥思度曲線。
      上位機(jī)程序具有便攜式腦電采集器連接情況的檢測功能。如圖4所示，當(dāng)兩個(gè)便攜式腦電采集器未連接時(shí)，軟件界面中右上角的poor_signal曲線始終等于200。poor_signal是原始腦電信號(hào)信噪比的反映，poor_signal的取值范圍是0～255。poor_signal曲線值越大，表明干擾越大。只有當(dāng)兩個(gè)poor_signal曲線值均為0時(shí)，左側(cè)其他數(shù)據(jù)才是可信的，否則其他數(shù)據(jù)被強(qiáng)行置0。要查看各面板曲線上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值，只需將鼠標(biāo)指向?qū)?yīng)位置即可。

    當(dāng)硬件與人體接觸良好(poor_signal=0)時(shí)，左側(cè)數(shù)據(jù)有效，如圖5所示。軟件中Attention curve、Meditation curve的域值在0～100之間，porrsignal curve在0～255之間不變，其他8個(gè)面板的數(shù)據(jù)縱坐標(biāo)最大值可調(diào)。

    本文通過對(duì)腦波信號(hào)機(jī)理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出了便攜式腦電采集器。在設(shè)計(jì)中考慮到各方面的因素，如便攜性、抗噪性等，同時(shí)又設(shè)計(jì)出相應(yīng)的顯示軟件。利用所研制的便攜式腦電采集器對(duì)測試者的腦波進(jìn)行采集、分析和處理，通過藍(lán)牙模塊將收集到的腦電信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中利用所編制的上位機(jī)軟件將腦電波的波形可視化。本研究成果是我國腦機(jī)接口技術(shù)向?qū)嵱眯赞D(zhuǎn)化過程中最關(guān)鍵的一步。
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