微弱腦電信號提取方法的研究＊

周麗麗,杜寅甫,段大偉

（黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所，黑龍江 哈爾濱 150090）

1 引言

伴隨人類科技水平進(jìn)步而到來的信息時代，各種學(xué)科蓬勃發(fā)展。一個多世紀(jì)以來，雖然科學(xué)家們嘔心瀝血致力于腦科學(xué)研究，但人類仍然對其了解甚少。大腦含有大量的神經(jīng)元，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，它控制著我們的日常生活。

生物電活動在日常行為中產(chǎn)生。利用信號提取設(shè)備，我們可以捕捉到這些電信號，它的產(chǎn)生是因為人體內(nèi)部含上億個神經(jīng)元，各個神經(jīng)元間相互作用反饋最終出現(xiàn)這個生物電信號。腦電信號按目前標(biāo)準(zhǔn)分為兩類，按引起電信號的方式來說有自發(fā)方式和誘發(fā)方式。自發(fā)方式是指人處于正常環(huán)境下，外界刺激影響較小，此時大腦因為生理需求產(chǎn)生的微弱生物電信號，而誘發(fā)方式是指人類個體受到體外刺激（如光，音，味道等）產(chǎn)生的微弱電信號，其受個體精神狀態(tài)的影響而變化。

20世紀(jì)以來人類一直對腦活動開展研究。90年代，以歐美為首的多國將21世紀(jì)定義為“腦科學(xué)時代[1]”，并各自制定了長遠(yuǎn)的針對大腦的研究計劃，最終可以將其總結(jié)為“了解腦、保護(hù)腦、創(chuàng)造腦”?！傲私饽X”是學(xué)習(xí)大腦的工作流程，包含大腦如何產(chǎn)生認(rèn)知、產(chǎn)生情感、對外界事物如何進(jìn)行學(xué)習(xí)、通訊等；“保護(hù)腦”是醫(yī)療領(lǐng)域的內(nèi)容，核心在了解大腦結(jié)構(gòu)預(yù)防疾??；“創(chuàng)造腦”是將二者結(jié)合并升華，其最終目的是開發(fā)類似大腦的微型控制器。

每個人的大腦由數(shù)十億神經(jīng)元構(gòu)成，從個體角度看大腦表層差異很大，各類褶皺存在的方式也不相同，這無疑對腦信號獲取增加了難度。國內(nèi)腦電設(shè)備技術(shù)手段不成熟，依賴進(jìn)口，整體上性能差異過大，沒有普遍實用性，而且長期使用誘發(fā)方式進(jìn)行獲取會對人體造成一定程度上影響，因此如何設(shè)計出適用的采集設(shè)備逐漸成為研究核心。

2 腦電信號處理技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在通信領(lǐng)域電信號已經(jīng)可以有多種方法可以處理，尤其是數(shù)字化信號處理方法，這些方法將腦電的研究推向新階段。比如時頻分析、功率譜分析、雙譜分析、相關(guān)性分析等。通信領(lǐng)域電信號的處理都使用了這些方法，但腦電信號不同，它是一種微弱信號，這些分析并不能滿足需要。多年來，世界各國科學(xué)家的研究成果，已遍布多個領(lǐng)域，在各方面成果斐然。比如在應(yīng)用醫(yī)學(xué)方面，PK McGuire[2]等人在面對某類疾病患者時，采取了計算腦局部血流速的方法，最終得出結(jié)論在大腦某些區(qū)域，血流速與患者癥狀強(qiáng)弱呈正相關(guān)；一九九八年，I．J．Rampil 和D．R．Stansk 驗證了全身麻醉時腦電信號受到麻醉深度影響。二零零二年，TM Kilkenny 發(fā)表了抑郁癥等精神障礙疾病患者腦中慢波減少的研究。二零零九年，Justin Dauwels[3]等醫(yī)生證實了早期的帕金森癥可以用某些腦電信號診斷。

國內(nèi)高校和科研院所是腦電信號研究的主要力量。燕山大學(xué)李小俚教授等對于某些病人的生物電信號進(jìn)行采集具體的研究，讓其處于麻醉時與正常狀態(tài)做對比，探究電信號受外界的影響，并設(shè)計出一種方法對異常進(jìn)行識別與區(qū)分；浙大葉志前[4]教授等人不僅研究了麻醉過程中如何處理圖像，還設(shè)計了將醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為便于觀察的可視圖的處理系統(tǒng)；北京工業(yè)大學(xué)李明愛老師等人深入探究了腦電信號的特征提??；北京物理與數(shù)學(xué)研究所的徐富強(qiáng)[5]等教授將各種技術(shù)相結(jié)合（比如核磁共振與視覺成像），開展跨學(xué)科研究，將腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實中重塑，建立相似模型。

綜上所述，我國仍處于腦研究的起步階段，而且多數(shù)科研成果與醫(yī)療緊密聯(lián)系，因此還停留在保護(hù)腦的階段。與國外相比，腦電信號處理的應(yīng)用范圍較小，技術(shù)水平差距很大。

3 腦電信號基本知識

3.1 腦電信號特點

腦電信號是人的一種生理信號?？偨Y(jié)為以下幾點：1)微弱性。人本身是導(dǎo)體，但阻抗極高，所以可檢測的信號強(qiáng)度很低，以微量級計算，且受各種外界因素的影響變化很大；2)干擾源多。在人體內(nèi)部存在很多強(qiáng)信號，這些其他信號都會影響腦電信號的獲??；3)隨機(jī)非平穩(wěn)。人類個體生活在世界上，各器官作為整體共同工作，作為個體相互影響，因而影響到腦電信號，可以說它每時每刻都在變化；4)頻域性。因此才使用時頻域分析法研究腦電信號；5)非線性。腦電信號是非線性信號，與所有生命體的信號一致；6)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。

3.2 研究腦電信號的意義

深入研究腦電可以讓我們有可能揭開自身的秘密，了解生命的真相，提高科技水準(zhǔn)。總結(jié)為以下幾類：

a)認(rèn)知腦結(jié)構(gòu)并探究其運行規(guī)則；b)診療腦部疾??；c)控制情緒；d)推動腦-機(jī)接口系統(tǒng)革命；e)為制造仿生類腦計算機(jī)提供理論支持。

3.3 腦電信號分類

在研究腦電信號過程中常把它視作一種特殊的正弦波分析，雖然它并不標(biāo)準(zhǔn)。指標(biāo)依然選用振幅、頻率和相位來描述。腦電信號的分類在國際上主要有三種方法：頻率法、圖形法和Gibbs法。其中，頻率法使用最廣泛，該方法依據(jù)頻率不同進(jìn)行信號分類：1)δ 波：常在額葉和顳葉，慢波的一種。在幼兒、智力未成熟的青少年和處于疲勞、昏迷、腦損傷病變等狀態(tài)的人中比較常見。2)θ 波：常在額葉和顳葉，神經(jīng)系統(tǒng)受到壓迫時會出現(xiàn)該波形。具有顯著的θ 波的人包含精神病人、處于負(fù)面情緒的成年人。3)α波：常在枕葉和頂葉，一個正常人進(jìn)行正常的生命活動時，此種波較強(qiáng)。4)β 波：常在中央前回和額葉。與δ 波不同，它是快波的一種，?，F(xiàn)于人處于情緒激動和精神緊張時。

3.4 腦電信號的獲取方法

通常獲取的信號質(zhì)量受多方面的影響，其中包括連接方式。當(dāng)前科研中存在兩種導(dǎo)聯(lián)方式，單極導(dǎo)聯(lián)和雙極導(dǎo)聯(lián)，二者使用都很廣泛。單極導(dǎo)聯(lián)是將檢測電極放置在頭皮，而把參考電極安放在與檢測電極同側(cè)、人體電位為零的位置。雙極導(dǎo)聯(lián)與單極導(dǎo)聯(lián)不同，所有電極均被放置在頭皮上，并以差模輸入方式采集腦電信號。

電極在頭皮的具體位置需要按需求自行設(shè)計，不同部位獲取到的信號也不一樣。19世紀(jì)60年代“10-20 國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)[6]”誕生，其電極的具體分布位置見圖1，一直沿用至今。該系統(tǒng)中，各電極間的距離使用百分?jǐn)?shù)表示，電極位置的標(biāo)識字母在前數(shù)字在后，并規(guī)定大腦右半球的電極標(biāo)號使用偶數(shù)，左半球使用奇數(shù)，頭部不同位置采用的字母對應(yīng)人腦各皮層區(qū)域。

4 系統(tǒng)設(shè)計

腦電信號是一種弱信號，易被干擾，因此信號采集系統(tǒng)設(shè)計需遵循這些條件：1)前置放大器要求如下：①高增益②高輸入阻抗③高共模抑制比[7](CMRR)④低噪聲、低漂移；2)安全性。生物電極連入頭皮后與人體結(jié)合，雖然電流不大，但電路中的部分電流就會流向人體，積累到一定程度，人還是有可能會受到傷害；3)無線傳輸。有線傳輸不方便，距離近，限制了傳輸范圍，降低了便捷性；4)可延展性。腦科學(xué)發(fā)展的迅速程度遠(yuǎn)超想象，若只立足于當(dāng)下，那么系統(tǒng)未來只能淘汰，很浪費資源，只有可擴(kuò)展才是是未來的方向；5)降低成本?？蒲幸惨紤]現(xiàn)實因素，脫離實際不可取。

如圖2所示：將電極連到腦頭皮部位，若連接正常，開始采集腦電信號。腦電信號經(jīng)過前置放大器放大和多級濾波，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行預(yù)設(shè)的A/D 轉(zhuǎn)換。然后，經(jīng)過微處理器的處理，信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式同時被顯示在液晶屏上，之后數(shù)字信號通過藍(lán)牙模塊被輸送到PC 端，完成數(shù)據(jù)存儲。最后，在應(yīng)用程序中調(diào)試去除基線漂移[8]、生理偽跡和工頻干擾，從而獲得比較純凈的信號。

4.1 硬件設(shè)計

采集到的腦電信號質(zhì)量受電極的性能影響。通常，此類電極具有簡易、安全、恒定條件下工作狀態(tài)穩(wěn)定、對體表造成傷害少等特點。

醫(yī)療所用電極片一般如圖3所示，主要材料為銀/氯化銀。該電極片符合上述條件，簡易安全又穩(wěn)定。

4.1.1 主控芯片選型與特性

微控制器決定了系統(tǒng)的整體性能與效率，本系統(tǒng)選擇處理器條件如下：1)高速。實時顯示腦電波形需要高速芯片快速處理，驅(qū)動液晶模塊需要大量計算，因此需要擴(kuò)展在線數(shù)據(jù)處理功能；2)高精度。高精度的A/D 轉(zhuǎn)換器處理方便，實時性更好；3)存儲足夠。擴(kuò)展內(nèi)存和FLASH會降低實時處理速度，若存儲足夠大，那速度會提高；4)微型化、低能耗。設(shè)備微型化，能耗降低是趨勢，更符合現(xiàn)實需求；5)UART[9]通信接口。藍(lán)牙模塊需要UART接口進(jìn)行基本的通信功能。

4.1.2 預(yù)處理電路

是否有效采集腦電信號關(guān)鍵在于預(yù)處理電路。預(yù)處理電路包括前置放大和濾波電路等，主要完成信號的初級處理。根據(jù)前述系統(tǒng)設(shè)計要求，本文采用了多級放大和多級濾波方式。多級放大主要是因為信號微弱，為了滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求而設(shè)計，而多級濾波環(huán)節(jié)目的在于提取有用頻帶的腦電信號，保持信號通頻帶的能量。預(yù)處理電路工作流程如圖4所示。

5 結(jié)束語

本文開篇對當(dāng)前腦電信號處理技術(shù)進(jìn)行了敘述，并對世界范圍內(nèi)的研究情況進(jìn)行了概述，總體來說，近年來國內(nèi)研究在相關(guān)領(lǐng)域突飛猛進(jìn)，但遠(yuǎn)不及國外水準(zhǔn)。之后，對腦電信號的產(chǎn)生、特性、分類和采集進(jìn)行了介紹。再根據(jù)腦電信號的特點整體設(shè)計了簡易采集方案。實際應(yīng)用中，仍存在很多問題，比如純凈的腦信號極難獲取，各類干擾很難去除等。腦電領(lǐng)域具有廣闊的探索空間，在未來，相關(guān)領(lǐng)域的研究會越來越成熟，現(xiàn)在面臨的的問題也會解決。