腦電信號是大腦皮層或者頭皮表面記錄到的大腦皮層神經(jīng)元群突觸后電位總和。它包含大量的生理信息和病理信息，是一種非常典型的生物電信號。為了探索人體大腦奧秘，在大腦和外部環(huán)境之間建立起一種直接的通訊交流渠道成為非常必要的手段，這就是如今廣為研究的“腦-機(jī)接口”(Brain-Computer Interface, BCI)。通過對腦機(jī)接口的腦電認(rèn)知研究，我們可以了解神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)與人們心理活動(dòng)、生理活動(dòng)之間的聯(lián)系，這在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重大意義。
1、腦電信號的分類
根據(jù)信號的頻率和振幅可將腦電信號分為五種腦電波：α波、β 波、θ波、δ波和γ 波。它們的基本特征如下：
α波：頻率范圍處于 8Hz~13Hz 之間，振幅范圍處于 20μv~100μv 之間，α波可在大腦的枕葉和頂葉區(qū)檢測到，當(dāng)人在清醒、安靜或者閉眼時(shí)，α波容易被檢測到，波形程菱狀圖形，波幅從小到大，再從大變小有規(guī)律的變化。
β 波：頻率范圍處于 20Hz~30Hz 之間，振幅范圍處于 5μv~20μv 之間。β波可在額部和顳部檢測到，它是一種快波， 在人大腦思維活躍的時(shí)候出現(xiàn)。
θ波：頻率范圍處于 4Hz~7Hz 之間，振幅范圍處于 10μv~50μv 之間。θ波的檢測與人的精神有關(guān)，θ波在人精神困倦或者抑郁時(shí)候出現(xiàn)。
δ波：頻率范圍處于 1Hz~3.5Hz 之間，振幅范圍處于 20μv~200μv 之間。δ波的檢測跟人所處的狀態(tài)有關(guān)，它在人處于睡眠狀態(tài)或昏迷狀態(tài)以及缺氧時(shí)候出現(xiàn)。
γ 波：頻率范圍處于 30Hz~60Hz 之間，振幅很小。γ波可在額區(qū)和前中央?yún)^(qū)檢測到。
腦電波容易因人的生理狀況影響而產(chǎn)生變化，單獨(dú)某種腦電波的多少也因人體生理狀況而表現(xiàn)不同。因此腦電圖的記錄可作為檢查人大腦功能或者生理狀況是否正常的一種重要手段。例如，抑郁患者的腦電圖可以觀察到明顯的θ波。這些波形的檢測對患者疾病的治療有著重要意義。
圖片來源：鄭聲濤, 論文《睡眠腦電的分析與應(yīng)用研究》, p34
2、腦電采集系統(tǒng)的組成
腦電采集系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件部分由腦電電極、預(yù)處理電路、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制模塊、通信模塊部分構(gòu)成；軟件部分主要是上位機(jī)程序，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、命令下發(fā)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和波形顯示。本文主要介紹硬件部分。整體系統(tǒng)組成示意圖如下圖所示：
圖片來源：曾興濤, 論文《穿戴式腦電采集系統(tǒng)的研制》, p8
腦電電極
腦電電極是用來傳遞或記錄腦部電勢分布及變化的傳感器。電極類型總的來說主要分為濕電極、干電極和半干式電極這三類。
1 - 腦電濕電極
濕電極為腦電采集的傳統(tǒng)電極類型，一般采用銀/氯化銀（Ag-AgCl ）做電極材料。進(jìn)行腦電信號采集時(shí)，為了降低電極與頭皮之間的阻抗，需在電極與頭皮間涂抹液態(tài)或糊狀的導(dǎo)電介質(zhì)( 導(dǎo)電膏或?qū)щ娨?,導(dǎo)電膏中的氯、鉀、鈉等離子擴(kuò)散進(jìn)入人體皮膚的角質(zhì)層，降低了電極與皮膚之間的接觸阻抗。因其阻抗低、穩(wěn)定、信噪比高和信號可靠的優(yōu)勢，濕電極成為臨床和科研腦電測量的主要選擇和標(biāo)準(zhǔn)。
圖片來源：zhuanlan.zhihu.com/p/540101050---導(dǎo)電膏電極
濕電極的優(yōu)點(diǎn):
允許進(jìn)行高密度腦電圖記錄
較高的信號質(zhì)量
比干電極和半干電極更不容易受電源干擾和運(yùn)動(dòng)偽影的影響
支持長時(shí)間穩(wěn)定記錄
濕電極的缺點(diǎn):
測試前需要對頭皮進(jìn)行去角質(zhì)處理，時(shí)間成本和操作復(fù)雜度高
對參與者來說舒適性較低，頭發(fā)需要清潔
在長時(shí)間采集的應(yīng)用場景下需要反復(fù)加注導(dǎo)電膏，耗時(shí)較繁瑣
需專業(yè)人員操作，無法滿足日常腦電監(jiān)測需求
適用領(lǐng)域：從采集信號的高信噪比來看，濕電極是腦電電極的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，被廣泛應(yīng)用于科研、認(rèn)知和臨床等研究領(lǐng)域。
2 - 腦電干電極
為了解決使用導(dǎo)電膏等帶來的佩戴繁瑣、難以長時(shí)間檢測等問題，干電極在90年代首次被發(fā)明出來。
干電極由惰性導(dǎo)電材料組成，該材料與皮膚機(jī)械耦合以進(jìn)行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，由于不需要涂抹導(dǎo)電膏等，具有使用方便、使用者感覺舒適、易于便攜式腦電設(shè)備的應(yīng)用等顯著優(yōu)勢。但由于干電極不使用導(dǎo)電凝膠或?qū)щ姼?，因此干電極比濕電極的電極阻抗更高。
干電極根據(jù)是否與頭皮接觸可分為接觸式干電極和非接觸式干電極; 接觸式干電極根據(jù)形狀不同又可以分為微針電極、指狀電極、混合電極等。
接觸式干電極是干電極主要的研究方向。接觸式干電極依據(jù)使用在人體的不同部位的特征，可以分為有發(fā)區(qū)域（頭部）和無發(fā)區(qū)域（皮膚）。無發(fā)區(qū)域的干電極主要采集腦電多是放置在前額區(qū)域。與表皮信號采集相比，頭皮腦電信號的采集面臨更多困難，采集時(shí)需要解決頭發(fā)造成的阻礙。頭皮腦電研究主要通過電極的材料、外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得其能夠穿過頭發(fā)穩(wěn)定采集信號。
干電極的優(yōu)點(diǎn)：
比濕電極的設(shè)置時(shí)間更快
不需要皮膚準(zhǔn)備
適用于家庭測試
（幾乎）不需要清理
在某些情況下，無需經(jīng)過培訓(xùn)即可使用
圖片來源：zhuanlan.zhihu.com/p/540101050
干電極
干電極的缺點(diǎn)：
難以將電極固定在頭皮上
信號不穩(wěn)定性較強(qiáng)和阻抗更高
比濕電極更容易受到電源干擾和運(yùn)動(dòng)偽影的影響
適用領(lǐng)域: 主要應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)反饋、增強(qiáng)認(rèn)知、腦-機(jī)接口和心理學(xué)等研究領(lǐng)域，在未來腦機(jī)接口的轉(zhuǎn)化上比較適用。
3 - 腦電半干電極
針對濕電極與干電極的不足之處，為了提高舒適性，保障信號質(zhì)量，研究人員開始使用電解液取代導(dǎo)電膏。例如，一些半干電極使用水海綿與自來水或鹽水來增加皮膚表面和電極之間的傳導(dǎo)。
半干電極的原理是：電極自身擁有電解液容器，在使用過程中通過外部施加壓力從特定結(jié)構(gòu)中釋放電解液，釋放的電解液構(gòu)成頭皮和電極之間的離子通道。
圖片來源：zhuanlan.zhihu.com/p/540101050半干電極原理示意圖
半干電極綜合了傳統(tǒng)電極與干電極的特點(diǎn)，既兼顧了降低阻抗所需要的電解質(zhì)層，使用后又不會(huì)造成導(dǎo)電膏殘留，并且避免了干電極可能對皮膚造成的創(chuàng)傷。
半干電極的優(yōu)點(diǎn)：
比濕電極的設(shè)置時(shí)間更快
比濕電極更快速地清理
克服了在干電極中出現(xiàn)的高阻抗和信號不穩(wěn)定問題
適用于家庭測試
在某些情況下，無需訓(xùn)練有素的技術(shù)人員即可實(shí)現(xiàn)
圖片來源：zhuanlan.zhihu.com/p/540101050海綿電極
半干電極的缺點(diǎn)：
需要額外的壓力來實(shí)現(xiàn)連續(xù)釋放電解液
與濕電極相比，干燥速度更快，因此需要更頻繁地重新潤濕
可以采取有限的措施來改善皮膚電極接觸質(zhì)量
適用領(lǐng)域：適用于短時(shí)間測試使用，當(dāng)受試者是老年人或者是兒童群體時(shí)，使用更方便。
預(yù)處理電路的設(shè)計(jì)
為了從混有強(qiáng)背景噪聲（肌電、心電、50Hz工頻干擾等）中有效地提取出腦電轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，放大器的輸入阻抗以及共模抑制比直接影響著系統(tǒng)性能。對于腦電信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于腦電信號的幅值微弱、受干擾性強(qiáng)等特征，因此要求選型的放大器具有高共模抑制比、高增益等特點(diǎn)，普通運(yùn)算放大器是無法滿足設(shè)計(jì)需求的，為滿足設(shè)計(jì)需求，我們選擇儀表放大器。
儀表放大器 AD8222 是美國 ADI 公司生產(chǎn)的一款經(jīng)典的三運(yùn)放儀表放大器，它的增益最高可達(dá)1萬倍，信噪比根據(jù)增益不同而不同，最低80dB，因此 AD8222 可以很好滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。AD8222 結(jié)構(gòu)簡略圖如下圖所示。
圖片來源：付蓉, 論文《腦電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)》, p18AD8222的內(nèi)部三運(yùn)放結(jié)構(gòu)簡略圖
A/D采集電路的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采樣設(shè)計(jì)選用的芯片是美國 TI 公司生產(chǎn)的 ADS1178。它是 8 路 16 位 同步采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率最高可達(dá) 52kHz，它的工作電壓為 5v，信噪比為97dB。ADS1178 的功能圖如下圖所示
圖片來源：付蓉, 論文《腦電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)》, p22
單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)
單片機(jī)控制模塊以 STM32f103 為核心構(gòu)建。本文設(shè)計(jì)中的單片機(jī)模塊構(gòu)建電路如下圖，硬件上主要使用到的單片機(jī)資源有：SPI、USART 通訊接口以及控制 A/D 轉(zhuǎn)換模塊用到的通用 I/O 口。
圖片來源：曾興濤, 論文《穿戴式腦電采集系統(tǒng)的研制》, p10單片機(jī)模塊構(gòu)建電路
通信模塊的設(shè)計(jì)
通信模塊負(fù)責(zé)腦電采集系統(tǒng)上、下位機(jī)之間的通信。本文設(shè)計(jì)中主要采用了藍(lán)牙通訊方式。藍(lán)牙串口模塊采用廣州匯承公司出品的 HC-06 模塊。電路如下圖
圖片來源：曾興濤, 論文《穿戴式腦電采集系統(tǒng)的研制》, p11HC06模塊電路圖
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