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步而到來的信息時代，各種學科蓬勃發展。一個多世紀以來，雖然科學家們嘔心瀝血致力于腦科學研究，但人類仍然對其了解甚少。大腦含有大量的神經元，結構極其復雜，它控制著我們的日常生活。

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

20世紀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世紀定義為“腦科學時代[1]”，并各自制定了長遠的針對大腦的研究計劃，最終可以將其總結為“了解腦、保護腦、創造腦”?！傲私饽X”是學習大腦的工作流程，包含大腦如何產生認知、產生情感、對外界事物如何進行學習、通訊等；“保護腦”是醫療領域的內容，核心在了解大腦結構預防疾??；“創造腦”是將二者結合并升華，其最終目的是開發類似大腦的微型控制器。

每個人的大腦由數十億神經元構成，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。國內腦電設備技術手段不成熟，依賴進口，整體上性能差異過大，沒有普遍實用性，而且長期使用誘發方式進行獲取會對人體造成一定程度上影響，因此如何設計出適用的采集設備逐漸成為研究核心。

2 腦電信號處理技術國內外研究現狀

在通信領域電信號已經可以有多種方法可以處理，尤其是數字化信號處理方法，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、相關性分析等。通信領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，世界各國科學家的研究成果，已遍布多個領域，在各方面成果斐然。比如在應用醫學方面，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，最終得出結論在大腦某些區域，血流速與患者癥狀強弱呈正相關；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]等醫生證實了早期的帕金森癥可以用某些腦電信號診斷。

國內高校和科研院所是腦電信號研究的主要力量。燕山大學李小俚教授等對于某些病人的生物電信號進行采集具體的研究，讓其處于麻醉時與正常狀態做對比，探究電信號受外界的影響，并設計出一種方法對異常進行識別與區分；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，還設計了將醫學圖像轉化為便于觀察的可視圖的處理系統；北京工業大學李明愛老師等人深入探究了腦電信號的特征提??；北京物理與數學研究所的徐富強[5]等教授將各種技術相結合（比如核磁共振與視覺成像），開展跨學科研究，將腦神經網絡在現實中重塑，建立相似模型。

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

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為以下幾點：1)微弱性。人本身是導體，但阻抗極高，所以可檢測的信號強度很低，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。在人體內部存在很多強信號，這些其他信號都會影響腦電信號的獲??；3)隨機非平穩。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)關聯性強。

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?？偨Y為以下幾類：

a)認知腦結構并探究其運行規則；b)診療腦部疾??；c)控制情緒；d)推動腦-機接口系統革命；e)為制造仿生類腦計算機提供理論支持。

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，雖然它并不標準。指標依然選用振幅、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，該方法依據頻率不同進行信號分類：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、腦損傷病變等狀態的人中比較常見。2)θ 波：常在額葉和顳葉，神經系統受到壓迫時會出現該波形。具有顯著的θ 波的人包含精神病人、處于負面情緒的成年人。3)α波：常在枕葉和頂葉，一個正常人進行正常的生命活動時，此種波較強。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

通常獲取的信號質量受多方面的影響，其中包括連接方式。當前科研中存在兩種導聯方式，單極導聯和雙極導聯，二者使用都很廣泛。單極導聯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、人體電位為零的位置。雙極導聯與單極導聯不同，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計，不同部位獲取到的信號也不一樣。19世紀60年代“10-20 國際標準導聯系統[6]”誕生，其電極的具體分布位置見圖1，一直沿用至今。該系統中，各電極間的距離使用百分數表示，電極位置的標識字母在前數字在后，并規定大腦右半球的電極標號使用偶數，左半球使用奇數，頭部不同位置采用的字母對應人腦各皮層區域。

4 系統設計

腦電信號是一種弱信號，易被干擾，因此信號采集系統設計需遵循這些條件：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。腦科學發展的迅速程度遠超想象，若只立足于當下，那么系統未來只能淘汰，很浪費資源，只有可擴展才是是未來的方向；5)降低成本?？蒲幸惨紤]現實因素，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。腦電信號經過前置放大器放大和多級濾波，經過A/D 轉換器進行預設的A/D 轉換。然后，經過微處理器的處理，信號轉換為數字形式同時被顯示在液晶屏上，之后數字信號通過藍牙模塊被輸送到PC 端，完成數據存儲。最后，在應用程序中調試去除基線漂移[8]、生理偽跡和工頻干擾，從而獲得比較純凈的信號。

4.1 硬件設計

采集到的腦電信號質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穩定、對體表造成傷害少等特點。

醫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，簡易安全又穩定。

4.1.1 主控芯片選型與特性

微控制器決定了系統的整體性能與效率，本系統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，驅動液晶模塊需要大量計算，因此需要擴展在線數據處理功能；2)高精度。高精度的A/D 轉換器處理方便，實時性更好；3)存儲足夠。擴展內存和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。設備微型化，能耗降低是趨勢，更符合現實需求；5)UART[9]通信接口。藍牙模塊需要UART接口進行基本的通信功能。

4.1.2 預處理電路

是否有效采集腦電信號關鍵在于預處理電路。預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。根據前述系統設計要求，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轉換器的輸入要求而設計，而多級濾波環節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。預處理電路工作流程如圖4所示。

5 結束語

本文開篇對當前腦電信號處理技術進行了敘述，并對世界范圍內的研究情況進行了概述，總體來說，近年來國內研究在相關領域突飛猛進，但遠不及國外水準。之后，對腦電信號的產生、特性、分類和采集進行了介紹。再根據腦電信號的特點整體設計了簡易采集方案。實際應用中，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。腦電領域具有廣闊的探索空間，在未來，相關領域的研究會越來越成熟，現在面臨的的問題也會解決。