腦電采集系統(tǒng)的發(fā)展及其現(xiàn)代化應(yīng)用*

曹　洋,唐宏偉，馬艷妮,呂寶糧,王國興,3

(1.上海交通大學(xué) 微納電子學(xué)系，上海 200240；2.中國兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所，北京 100089；3.上海市教委智能交互與認知工程實驗室，上海 200240；4.上海交通大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)系，上海 200240)

腦電采集系統(tǒng)的發(fā)展及其現(xiàn)代化應(yīng)用*

曹洋1,唐宏偉2，馬艷妮2,呂寶糧3,4,王國興1,3

(1.上海交通大學(xué) 微納電子學(xué)系，上海 200240；2.中國兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所，北京 100089；3.上海市教委智能交互與認知工程實驗室，上海 200240；4.上海交通大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)系，上海 200240)

摘要：腦電信號包含了運動、語言和思維意識等豐富的大腦信息，反映著人的情緒、警覺度等生命體征狀態(tài)。近年來，由于腦電信號處理的飛速發(fā)展，腦電應(yīng)用也從醫(yī)療康復(fù)向駕駛安全、教育輔助和娛樂消費等日常領(lǐng)域發(fā)展。腦電采集系統(tǒng)由頭皮電極、信號隔離放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和無線發(fā)送等模塊構(gòu)成，低功耗、小體積和便攜化是當(dāng)前的主要方向。對適宜佩戴的電極、高集成度采集芯片和分析算法的研究現(xiàn)狀、難點進行了分析和預(yù)測，并對腦電采集系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：腦電信號；腦電采集系統(tǒng)；便攜式；現(xiàn)代化應(yīng)用

人類經(jīng)常把大腦和計算機相比較，而大腦本身就是1臺經(jīng)過了數(shù)億年自然選擇的非常特殊的計算機，但又不像計算機那樣結(jié)構(gòu)清晰、設(shè)計感明顯。作為人體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能最復(fù)雜的組織，大腦承擔(dān)著接受外界信號、產(chǎn)生感覺、形成意識、進行邏輯思維、發(fā)出指令和產(chǎn)生交互行為等一系列指揮功能，掌管著運動、語言、情緒和思維等高級活動，因其復(fù)雜性吸引著大量的科學(xué)研究者對其進行探究，被認為是生物學(xué)研究的最后一個前沿領(lǐng)域[1-2]。

大腦內(nèi)部存在著大量的神經(jīng)元，它們相互連接形成復(fù)雜且功能強大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以此發(fā)揮大腦的高級作用。從分子水平到整體系統(tǒng)水平、對不同層次腦進行整合分析，得到研究數(shù)據(jù)，建立科學(xué)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是神經(jīng)科學(xué)技術(shù)的主要工作[3]。作為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一個重要分支，腦電圖技術(shù)(Electroencephalography, EEG)因其無損害、低成本、易于采集和時間分辨率高等優(yōu)勢，成為大腦整體系統(tǒng)研究的重要工具。

1EEG信號采集簡介

大腦皮層的神經(jīng)元活動產(chǎn)生的電位，經(jīng)過顱骨、大腦組織等構(gòu)成的容積導(dǎo)體，傳導(dǎo)到頭皮的表面所得到的信號叫腦電信號(EEG 信號)。為了得到大腦中神經(jīng)元所產(chǎn)生的電位變化，可以在頭皮上安放電極用以間接記錄其電壓。這是一種被動的，即非侵入性的采集方式，為了方便應(yīng)用，最好利用不需要導(dǎo)電膏的容性干電極來進行采集[4]。

EEG信號的研究歷史可以追溯到18世紀末期。在腦電圖發(fā)現(xiàn)之前，人們只能通過觀察末梢神經(jīng)對刺激的反應(yīng)來了解中樞神經(jīng)的機能狀態(tài)。到了20世紀70年代，美國Jacques Vidal博士等用1個由EEG信號驅(qū)動的簡單通信系統(tǒng)實現(xiàn)了人腦直接控制計算機光標(biāo)作兩維運動，自此EEG信號采集系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展[5]。

通常EEG信號采集系統(tǒng)(見圖1)是由頭皮電極、信號隔離放大器(有時包含濾波器)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等組成，為方便移動平臺進行數(shù)據(jù)處理并實現(xiàn)采集系統(tǒng)可穿戴，帶無線傳輸模塊的采集系統(tǒng)成為必須。由于EEG信號有信號幅值低(通常以微伏為單位進行衡量)、信噪比低、頻率范圍低和隨機性強等特點，并且系統(tǒng)要求在實現(xiàn)高增益放大的同時去除各種干擾；因此，作為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的一個重要領(lǐng)域，EEG采集系統(tǒng)是近年來迅速發(fā)展的數(shù)字信號處理技術(shù)的一個重要應(yīng)用方面。

近年來，由于腦科學(xué)等認知神經(jīng)科學(xué)的迅猛發(fā)展，EEG信號采集技術(shù)不僅在康復(fù)領(lǐng)域、教育領(lǐng)域和娛樂領(lǐng)域等商用領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，同時還有很強大的軍事應(yīng)用前景，它的迅速發(fā)展可能引起軍事領(lǐng)域武器、戰(zhàn)爭形態(tài)等變革[6-7]。

圖1　EEG采集系統(tǒng)模塊示意圖

2EEG采集的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

EEG信號采集系統(tǒng)的主要作用是能夠盡可能采集到低噪的EEG信號并進行放大，下面敘述各部分的技術(shù)現(xiàn)狀。

2.1適宜配戴的電極

信號采集模塊的前端為腦機接口設(shè)備與腦之間的傳感單元——腦電極。根據(jù)腦電極的不同，可分為有創(chuàng)和無創(chuàng)等2類。有創(chuàng)可分為完全植入電極和皮層表面電極等2種，這些需要開顱手術(shù)。開顱手術(shù)對大多數(shù)使用者還是無法接受。真正能為大多數(shù)使用者接受的是基于頭皮腦電的無創(chuàng)的腦機接口(Brain Computer Interface, BCI)系統(tǒng)。而基于頭皮EEG信號的無創(chuàng)BCI系統(tǒng)的腦電極可分為濕電極和干電極等2類。濕電極常用的是Ag/AgCl電極，之所以稱為濕電極，是因為該電極在工作時需要在電極與皮膚之間涂一層導(dǎo)電膏/液。而干電極無需導(dǎo)電膏。隨時腦電研究的深入，濕電極的問題也逐漸凸顯出來。

要完全對于人體的EEG信號進行分析，需要采集頭皮所有位置的電勢，構(gòu)建一個映射。由于濕電極距離很近時導(dǎo)電膏難以互相分離，會引起電極間的交叉耦合，因此，電極間應(yīng)有足夠距離，空間分辨率不高。另外，涂抹導(dǎo)電膏費時費力，又不適合長時間采集，使用起來很不方便。

針對濕電極的各種缺點，研究人員開始關(guān)注研究不需要涂抹導(dǎo)電膏、可長時間監(jiān)測的新型腦電極——干電極。干電極主要包括侵入式電極(微針電極)、非接觸式干電極和接觸式干電極。

臺灣交通大學(xué)林進燈課題組在2008年通過MEMS技術(shù)研制硅微針電極用來測量EEG信號，首先提出了侵入式微針干電極。該研究引起了廣泛關(guān)注，在此之后干電極技術(shù)取得了快速發(fā)展[8]。加州大學(xué)圣迭戈分校(UCSD)Gert Cauwenberghs課題組對非接觸式干電極做了大量的研究工作，該干電極是基于電容原理采集電生理信號，通過4層PCB結(jié)構(gòu)將電極、屏蔽和電路集成在一起的緊湊結(jié)構(gòu)[9]。2011年，葡萄牙阿維羅大學(xué)的David Manuel Dieteren Ribeiro等研制了一種接觸式干電極，將阻抗轉(zhuǎn)換電路與干電極集成在一起[10]。微針干電極采集信號的方式是微針電極穿透角質(zhì)層直接在表皮內(nèi)采集EEG信號。這種方式的優(yōu)勢在于可直接克服角質(zhì)層對EEG信號采集所帶來的影響。但由于需要刺透角質(zhì)層，對頭皮皮膚可能會產(chǎn)生一定的損傷。而非接觸干電極是在1塊導(dǎo)電極板上形成1層絕緣層(即電介質(zhì)層)，與人體形成一個電容器，利用電容耦合出人體生理信號。非接觸干電極易受干擾，不利于有效采集EEG信號。接觸干電極是目前的研究熱點，它是直接利用導(dǎo)體與皮膚表面形成的雙電層電容來采集人體的電生理信號。

雖然接觸干電極有諸多優(yōu)點，但仍然存在一些問題亟需解決。目前，研究的接觸型干電極中主要采用剛性材料，而人的頭部是曲面，平面剛性電極不能緊密接觸頭部，尤其是在有發(fā)區(qū)域，這導(dǎo)致其信噪比低。而且，對于人體來說，剛性電極在測量時不夠安全，如運動過程中人體易受到剛性電極的擦傷等。此外，接觸型干電極尺寸較小，其與頭部的接觸面積也很小，導(dǎo)致其電極表面阻抗很大，不利于有效采集EEG信號。在國內(nèi)，上海交通大學(xué)劉景全課題組目前在研究基于MEMS技術(shù)的柔性安全、穩(wěn)定的接觸干電極，以解決剛性電極與頭部曲面不匹配的問題，并研究三維微結(jié)構(gòu)表面進行納米改性對接觸型干電極表面阻抗的影響、有頭發(fā)區(qū)域干電極的采集特性等問題。

綜上所述，柔性接觸干電極可以滿足采集信號舒適、方便的設(shè)計要求，對于消費化的可穿戴系統(tǒng)的實時、長期監(jiān)測就更顯重要；但接觸干電極需要接觸良好才能有較低的阻抗，采集到符合要求的高精度信號。目前，接觸到的解決方案都是較為緊的頭戴，然而這樣的頭戴并不舒服，這樣的方案實質(zhì)上只是化各點的壓力到整個頭部，并沒有解決實際問題；所以，如何使柔性干電極接觸良好成為此電極應(yīng)用的最大難題。

2.2信號采集芯片及無線發(fā)送集成電路

根據(jù)EEG信號的特點，采集芯片應(yīng)該能夠完整地采集到低頻信號進行放大并實現(xiàn)無線傳輸(以方便平臺進行數(shù)據(jù)處理分析)。無線EEG采集要實現(xiàn)真正的應(yīng)用，要求能夠?qū)崿F(xiàn)其可穿戴，因此，必然要求信號采集節(jié)點的體積較小，質(zhì)量較輕，這就要求信號采集節(jié)點的功耗低，從而減小電池的體積和質(zhì)量[11-12]。為了實現(xiàn)這一點，將EEG信號的采集和傳輸盡量集成在1塊芯片，并且以最低的功耗實現(xiàn)，這是近來國際上的研究熱點。

實現(xiàn)腦電/眼電(EEG/EOG)信號采集的主要困難在于高增益放大的同時去除各種干擾，并且控制整體芯片的功耗在微瓦級。EEG/EOG信號的檢測系統(tǒng)包括前端放大器和無線信號傳輸。前端放大器包括信號的放大和濾波功能，它是系統(tǒng)中重要的組成模塊，直接決定檢測系統(tǒng)的等效輸入噪聲和共模抑制比，而且在很大程度上影響系統(tǒng)的整體功耗和面積。同時，放大器還要提供高輸入阻抗，與干電極輸出阻抗匹配，減少能量損失。系統(tǒng)共模抑制比較大程度決定了系統(tǒng)抗干擾能力的強弱，EEG/EOG信號非常微弱，并且存在于強大的干擾背景下，主要的干擾源有EOG信號和EEG信號的相互干擾、心電信號(ECG)的干擾、呼吸和其他等動作產(chǎn)生的肌電信號(EMG)干擾、交流工頻干擾、電極皮膚摩擦以及接觸不良產(chǎn)生的輸入干擾以及皮膚表面和內(nèi)部生化反應(yīng)導(dǎo)致電極的輸入阻抗值的波動等。這些干擾甚至可以大到檢測信號的上千倍，如此情況下EEG/EOG信號就淹沒在噪聲和干擾中無法提取出來。如何去除各種外界干擾，降低帶外干擾和帶內(nèi)噪聲，對于提高信噪比，保障有用信號正常采集，確保電路穩(wěn)定工作起著至關(guān)重要的作用。

筆者團隊所設(shè)計的一款8通道EEG采集芯片如圖2所示。該芯片的測試已經(jīng)驗證了該芯片的架構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了放大倍數(shù)為100～1 000可調(diào)，輸入等效噪聲為2.47 μV的放大器。后續(xù)筆者團隊將集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器及無線收發(fā)，實現(xiàn)所需的EEG無線采集功能。

圖2　8通道EEG采集芯片

2.3通過EEG探究人腦思維的算法分析

目前，通過EEG信號讀取、解碼，人們正在進行的各種思維活動還未能實現(xiàn)，通常的研究方法是使人產(chǎn)生容易被解釋的EEG信號，然后識別出這種信號，經(jīng)過不同的分析處理，找出所需要的信息。而在這種容易被解釋的EEG分析，包括各種精神狀態(tài)分析、情緒分析、警覺性分析、睡眠分析和運動想像分析等。在醫(yī)學(xué)上，更多的是采用統(tǒng)計的方法，通過事件相關(guān)電位(Event-Related Potential，ERP)來進行分析。該方法是外加一種特定刺激作用于腦的某一部位或者感覺系統(tǒng)，在給予刺激或撤銷刺激時，引起腦區(qū)電位變化。由此可見，醫(yī)學(xué)更多的是從時域的角度進行統(tǒng)計分析，且可分析內(nèi)容極為有限。而在工程學(xué)方面，更多的是從頻域方面進行分析，上述分析均可實現(xiàn)，分析廣度更大。

EEG信號分析與處理從處理算法層次上講，主要的研究方向包括EEG數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征抽取、特征選擇及分類預(yù)測等[20]。

2.3.1EEG信號預(yù)處理

EEG信號預(yù)處理的含義是去除采集到的EEG信號中所摻雜的偽跡，得到信噪比更高的EEG信號。偽跡主要包括眼電、肌電、心電、工頻干擾和電磁干擾等。除了上述提到的通過硬件方式去除這些噪聲，軟件濾波處理成為當(dāng)下效率更高、代價更小的方式，主要方法有：直接刪除包含偽跡的數(shù)據(jù)段，使用濾波器(如帶通)進行濾波處理，通過主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)，以及獨立成分分析(Independent Component Analysis, ICA)等。

2.3.2特征提取

特征提取的含義是從原信號中找出各種有用信息，包括時域上的幅值、頻域上的各頻率分量的大小、相位以及空間各個電極之間的相關(guān)性等。通常采用變換的方法，把原始高維的信號空間變?yōu)榈途S的特征空間，使信號重要的特征在變換域中顯示出來，去掉對分類無意義的信息。例如，近年來發(fā)展起來的盲源分離技術(shù)，它是一種強大的信號處理方法，其實質(zhì)是從若干個觀測信號中提取出無法直接觀測的各個源信號。獨立成分分析是一種新興的離線的盲源分離算法，它是一種基于多信道的信號處理方法，按照統(tǒng)計獨立的原理將多個觀測信號分解成若干個獨立分量。

特征提取的目的是針對各種不同的應(yīng)用來進行信號的識別和預(yù)測分類，下述舉2個例子對其進行分析說明。

1)利用EEG進行情緒識別。利用EEG進行情緒識別的過程主要包括情緒誘發(fā)、EEG信號采集、EEG信號預(yù)處理、特征提取、特征降維及情緒模式的學(xué)習(xí)和分類[21]。

在情緒檢測中，情緒狀態(tài)的變化通常是一個漸變的過程，而EEG信號中有一些變化劇烈的成分，為了盡可能減少這些劇烈變化部分的干擾，需要對EEG特征信號進行平滑。目前，比較常用的是滑動平均。但由于滑動平均具有一定的時間延遲，為了保證情緒狀態(tài)識別的實時性，上海交通大學(xué)呂寶糧課題組引入了線性動力系統(tǒng)方法對EEG信號進行平滑，從而降低了任務(wù)不相關(guān)EEG信號對分析的影響。

由于在情緒檢測中使用的電極帽電極數(shù)很多，EEG信號的特征維數(shù)會很高，導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)處理更加困難，并不利于實際的分析，所以選擇較少數(shù)量的與情緒相關(guān)度較高的EEG特征值很有必要。通常減少EEG特征數(shù)量的過程叫特征降維。除了選擇較少數(shù)量的EEG特征，還可以對原有特征進行線性或非線性變換，例如，主成分分析、獨立成分分析和共同空間模式(Common Spatial Patterns，CSP)，將其映射到能最大反應(yīng)情緒狀態(tài)的維度上。

呂寶糧課題組在2009年以圖片為刺激材料，通過共同控件模式來進行降維，找出被試者的最佳頻段最終準確率約為93%。類似的應(yīng)用還有警覺度等方面[22]，可通過EEG判斷高鐵司機等高緊張人群的疲勞程度，及時安排休息以降低安全風(fēng)險系數(shù)。

2)利用EEG判別時間-空間-頻率等多種模態(tài)。上海交通大學(xué)張麗清課題組在2009年提出了關(guān)于非負張量分解的EEG信號單次實驗數(shù)據(jù)分類方法，基于此從時間、空間和頻率多個模態(tài)上同時進行特征分析，并提取各個模態(tài)上的判別投影模式用于EEG信號的單次實驗數(shù)據(jù)分類[23]；同時，還提出基于正則張量的分析方式，能夠有效識別對分類最有意義的導(dǎo)聯(lián)，并且對易于忽略的EEG相位信息進行了分析，提出了相位間隔值的方式來進行EEG信號分析。相對于CSP方法對噪聲極為敏感，它的性能嚴重依賴于信號預(yù)處理，且容易過擬合(針對導(dǎo)聯(lián)較多情況)，這種方法具有很強的魯棒性，并且能夠提供有效的任務(wù)相關(guān)的判別信息用于指導(dǎo)信號預(yù)處理，從而提高其分類準確率。

在實際應(yīng)用方面，其團隊開發(fā)了1個基于肢體想象運動的交互訓(xùn)練系統(tǒng)，旨在幫助殘疾人和正常人提高對基于EEG信號的輔助設(shè)備的控制能力；同時，其團隊還開發(fā)了2個自主異步的BCI應(yīng)用系統(tǒng)，虛擬場景中的在線游戲系統(tǒng)和現(xiàn)實環(huán)境中的遙控小車系統(tǒng)。讓受試者通過想象左手、右手和腳的運動，分別控制左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和前進，利用虛擬人控制訓(xùn)練模式、實時進度條反饋模式進行交互學(xué)習(xí)，最終可以達到90%以上的精度。

2.3.3模型評估

在完成了一系列算法分析之后，更為重要的一點是要進行算法模型評估，即所建算法模型是否可以反過來驗證人的各種狀態(tài)，這樣的逆向評估機制減少了誤判的發(fā)生，對準確采集到情緒、警覺度狀態(tài)非常重要。

綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，EEG腦電采集算法的難點在于如何提取到針對應(yīng)用的真正有效信號。其中，主成分分析、盲源分析是實現(xiàn)去噪降維的主流方法。模型評估是反向驗證的必備步驟，然而通常會被一些研究人員忽略。

3EEG軍事應(yīng)用前景分析

2009年5月，美國科學(xué)院發(fā)表了1份名為《神經(jīng)科學(xué)未來軍事應(yīng)用機遇》的報告，報告中稱，將神經(jīng)科學(xué)的知識付諸軍事用途，目前正是合適的時機。而從歷史來看，高精端的技術(shù)最先應(yīng)用的就是軍事，然后才是醫(yī)療。

3.1受傷士兵的戰(zhàn)時救助

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，會遇到大批傷員需要救治而醫(yī)療服務(wù)人員緊缺的情況，這時判斷救治傷員的順序顯得尤為重要。通過判斷準確，讓性命危在旦夕的傷員優(yōu)先治療，可以多挽救寶貴的生命。EEG信號包含大量的生理與疾病信息，通過EEG信號采集系統(tǒng)的檢測和數(shù)字信號處理分析，可以判斷人體生命體征信號多項指標(biāo)，從而判斷救治的順序。例如，一個加拿大的團隊開發(fā)了一種叫做Halifax Consciousness Scanner(HCS)的EEG采集儀器，它可以獲取一個人的意識清醒程度，從而解決一些診斷和意識處理方面的問題。這個HCS運用了EEG檢測技術(shù)來衡量大腦中的放電活動，從而提取Event Related Potentials(ERPs)的數(shù)據(jù)，并通過分析引擎轉(zhuǎn)換成基于神經(jīng)處理五項指標(biāo)的數(shù)值分數(shù)來進行分析。2010年8月9日，《時代》雜志報道了美軍坎貝爾堡士兵康復(fù)中心通過帶上可以掃描腦電波的帽子，確定大腦損傷程度。諸如此類有關(guān)EEG采集康復(fù)領(lǐng)域的技術(shù)均可在未來應(yīng)用于戰(zhàn)時士兵救助方面。

3.2判斷士兵警覺性，提高戰(zhàn)時的認知和作業(yè)水平

現(xiàn)代戰(zhàn)爭往往是高強度無間隙的連續(xù)軍事行動，持續(xù)不斷的無睡眠狀態(tài)是引起戰(zhàn)斗應(yīng)激反應(yīng)(Combat Stress Reaction, CSR)的重要因素之一[24]。嚴重的睡眠不足會降低大腦的警覺能力，產(chǎn)生反應(yīng)遲鈍、注意力下降、情緒煩躁不穩(wěn)定、意志消沉、記憶能力和決策能力下降等不良心理反應(yīng)，從而降低軍事效率[25]。在睡眠剝奪應(yīng)激條件下，復(fù)雜的腦力工作能力將受到不同程度的損害,其被試的視覺追蹤能力、聽覺警覺能力以及重復(fù)數(shù)字警覺測試能力成績明顯下降。如果可以用EEG技術(shù)檢測到相應(yīng)警覺性的強弱，就可以配合以藥物措施或者進行一系列的治療。

當(dāng)士兵在應(yīng)激狀態(tài)下出現(xiàn)上述能力下降的狀況時，通過腦電圖的分析反饋，可以及時自查式地采取一定的措施，例如，使用相關(guān)藥物或者及時休息。美軍正在使用莫達非尼(modafinil)和哌甲酯(methylphenidate/ritaline)來提高作戰(zhàn)能力,這2種藥物分別用來治療嗜睡癥和注意力缺陷障礙。而用于提高認知能力的藥物,未來也可能會以相似的方式用于軍人[26-27]。

3.3監(jiān)測士兵不同狀態(tài)的情緒，提高情緒智商

在殘酷的戰(zhàn)爭環(huán)境、緊張的訓(xùn)練環(huán)境下，士兵們的精神壓力會很大，情緒會有不同程度的起伏[28]。例如，2009年11月5日發(fā)生在美軍胡德堡基地的精神科軍醫(yī)槍擊案,更是凸現(xiàn)了軍人精神心理健康的重要性。又如，2009年2月26日菲律賓某士兵因喪父導(dǎo)致情緒失控，射殺了3個士兵。腦電圖的研究也有助于提高情緒智商，能夠感知他人的情緒并作出一定的反應(yīng)[29]。如果能夠通過EEG變化反饋及時得知相關(guān)情況，可以做出一定調(diào)整，增加減壓訓(xùn)練，配備心理輔導(dǎo)等，避免發(fā)生一些意外。

3.4推動新型人機結(jié)合的武器開發(fā)

美國明尼蘇達大學(xué)賀斌教授發(fā)明出最新的腦機接口，通過意念控制模型直升機在空中飛行、俯沖、上升，甚至穿過1個環(huán)。他們的技術(shù)是無創(chuàng)的，不需要進行植入式芯片，使用者只需要帶上1個帽子，通過電極記下使用者的腦電波，并將信號傳遞給電腦，電腦對這些數(shù)據(jù)進行處理后將之轉(zhuǎn)化成另一種電子信號，通過Wifi傳遞給飛行器的接收器，從而控制飛行器的飛行動作。

這種直接控制硬件和軟件系統(tǒng)的腦-機界面可以提升武器裝備的性能。訓(xùn)練有素的士兵可以“隨心所欲”地操控武器裝備，若與無人機等現(xiàn)代軍事武器結(jié)合，會大大提高武器的靈活性，間接提升武器性能，也成為新一代軍事武器變革的方向。

3.5利用“意識頭盔”進行戰(zhàn)時情報交流，加速情報心理戰(zhàn)的升級

據(jù)2008年9月14日《時代周刊》報道，美國陸軍斥資400萬美元啟動了一項研制特種作戰(zhàn)頭盔的項目[30]。這種被稱做“意識頭盔”的特種作戰(zhàn)武器，將幫助士兵在戰(zhàn)場上用腦電波來進行安全便捷的通信交流。

士兵們只需要想一下所要傳遞的信息和需要傳遞的對象，就可以通過無線電將命令傳達給1名或多名戰(zhàn)友。接收者可以通過耳機接收到被轉(zhuǎn)化成類似于機器人聲音的指令，不過若要完全達到由EEG信號直接模擬EEG發(fā)出者的聲音，同時顯示信息發(fā)送者的距離及其所在方位，還需要和仿生學(xué)、語音識別和定位等一系列技術(shù)進行融合。

這種意識頭盔也需要配合一定的訓(xùn)練，以保證思考問題時能在腦電圖上留下非常強大的信號，使其可以排除所有其他的干擾信息；因而，很多科學(xué)家已經(jīng)開始尋找反應(yīng)一個人自言自語時大腦反射情況的“特殊神經(jīng)指紋”。

腦電圖分析還可以廣泛應(yīng)用于反恐和情報搜集領(lǐng)域，甚至用于審問戰(zhàn)俘，并推動心理戰(zhàn)、情報戰(zhàn)的升級。通過分析腦電圖和輔助性神經(jīng)影像學(xué)腦成像技術(shù)，可以“監(jiān)測人的想法”，有助于了解人的行為動機，并進行人員精神與思想狀態(tài)的分析。例如，對于抓獲的敵方人員的情報獲取，增強情報人員的記憶等。

上述腦電圖在軍事方面的應(yīng)用前景已經(jīng)不是幻想。在未來的軍事戰(zhàn)爭中，EEG采集及應(yīng)用方面的作用不容小覷。要做到不落后甚至是領(lǐng)先一步，首先，要重視腦科學(xué)的基礎(chǔ)研究，任何科技的應(yīng)用都離不開基礎(chǔ)科學(xué)的研究，這是進一步相關(guān)應(yīng)用的根基；其次，積極展開對于EEG信號采集設(shè)備和分析方法技術(shù)的研究，并爭取融于一體，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的便捷、準確和安全三位一體的采集設(shè)備；最后，培養(yǎng)具有科學(xué)知識并訓(xùn)練有素的士兵，更好地應(yīng)用于未來人機結(jié)合的新型武器，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中應(yīng)對自如。

4結(jié)語

EEG信號包含了豐富的大腦信息，反映著人的精神狀態(tài)、情緒狀態(tài)和警覺度等各方面的內(nèi)容。近年來，EEG采集技術(shù)、EEG信號處理技術(shù)和機器學(xué)習(xí)飛速發(fā)展，也讓EEG的應(yīng)用從醫(yī)療、康復(fù)領(lǐng)域逐漸向駕駛等日常領(lǐng)域發(fā)展。隨著神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)和認知科學(xué)知識的不斷積累，EEG的提取和分析也為未來軍事方面的應(yīng)用提供了新的認識和方向，極有可能帶來新一輪的軍事機遇。

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* 上海市科委科技攻關(guān)重點項目(13511500200)

責(zé)任編輯彭光宇

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The Development and Modern Application of the EEG Signal Acquisition System

CAO Yang1, TANG Hongwei2， MA Yanni2, LYU Baoliang3,4, WANG Guoxing1,3

(1.Department of Micro/nano-electronics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;

2.Navigation and Control Technology Research Institute of China North Industries Group Corporation,Beijing 100089, China;

3.Key Laboratory of Shanghai Education Commission for Intelligent Interaction and Cognitive Engineering, Shanghai 200240,

China;4.Department of Computer Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract：EEG(Electroencephalography)signal contains lots of information about our brain activities, including motion, language, and mentality, which reflects the mental state such as emotion and vigilance level. Recently, with the rapid advancement of EEG signal processing, the application using EEG signal is moving from medical rehabilitation toward safe driving, education assisting, entertaining and other fields. EEG signal acquisition system generally consists of electrodes on the scalp, isolation amplifier, analog-digital converter and wireless transmitter. Lowering the electrical power consumption and miniaturizing of the size of the device to increase its portability are the major issues under research. The current research status of the wearable electrodes, highly-integrated data acquisition chip and the analytical algorithms used in the EEG system is analyzed, the major difficulties are summarized and the future trends are predicted. Finally, the great potential of the EEG signal acquisition system in military application is discussed.

Key words:EEG signal, EEG signal acquisition system, portability, modern application

收稿日期：2015-07-17

作者簡介：曹洋(1991-)，女，碩士研究生，主要從事生物電信號的采集系統(tǒng)等方面的研究。

中圖分類號：TN 45

文獻標(biāo)志碼:B