基于NeuroSky TGAM脑机接口的EEG识别

王静茜+莫荣+蔡晓东

摘要：随着物联网以及穿戴设备的迅速发展与普及，人们在从最初的依靠键盘鼠标的输入设备与机器的互动，到触摸方式的互动，人们逐渐对更加便携和直接的互动方式更加渴望，脑机接口不仅具有良好的互动体验，为肢体上行动不便的人们带来了福音。本文则针对消费级脑电芯片的NeuroSky的电路设计、数据获取以及数据分析控制进行研究。该脑机接口技术对多种研究领域具有非常重要的参考价值。

关键词：NeuroSky；TGAM EEG；干式电极；脑电波

中图分类号：G642 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）13-010-01

脑机接口技术是使生物的大脑与人工智能处理器之间构造通信通道，使得处理器能够识别EEG信号并通过提取特征进行匹配等方式响应相应动作。

一、Neurosky TGAM概述

NeuroSky公司生产的TGAM芯片是单通道的EEG提取芯片，它利用一个干式电极提取微弱的脑电信号，并同时过滤掉周围的噪音及其他电力干扰，最终转化为数字信号并通过串行UART进行传输。其使用的干式电极与湿式电极相比较，由于湿式电极需要在电极上涂抹导电胶，使得电极可以与头皮充分接触，但导电胶不易于清洗，引起不必要的麻烦，因此不适合用在消费级产品上；而干电极无需其他导电介质，从而更加方便穿戴。同时，NeuroSky公司的TGAM芯片的零售价格为十几元每片并且供货量较为充足，因此方便购买并且具有较高的性价比。

Neurosky TGAM芯片将采集电极帖在大脑左前额处，两个参考电极放置在左耳乳突出和右耳乳突出，通过计算参考电势来消除干扰，帮助降噪。在不连接参考电极时进行脑电采集，波形具有较大的干扰以致脑电波完全处在噪声当中无法识别。

二、自发脑电信号的节律特征

脑电是一种生物电现象，是一些自发的有节律的神经电活动，其频率基本在35Hz以内，按照频率的不同可划分为Gamma波、Beta波、Alpha波、Theta波以及Delta波，其幅度范围在5μV~1000μV，不同频率段的脑电信号都能够反映特定的表示大脑活动状态的信息：Delta波在成人深睡时显示较为活跃；Theta波在成人困倦乏力时显示较为活跃；Alpha波在成人静坐或静卧冥想时显示较为活跃；Beta波反映出精神状态；Gamma波涉及感觉、印象、记忆等较为深层的功能。

三、脑电信号的采集降噪

我国电力网采用50Hz频率的交流电，因此50Hz工频信号对信号采集具有很大影响，为是的数据更加准确则必须去除该干扰。

本文选用对电极采集信号进行低通滤波的方法消除50Hz工频信号的干扰，采用RLC带阻滤波器，利用串联谐振，将R、L、C串联，从L、C两端取电压，在谐振频率附近，L、C两端输出接近零（如图①）。同时，为进一步降低干扰，Neurosky TGAM的供电设备应选择电池，以避免开关电源或者线性电源本身带来的噪声干扰。

四、信号数据传输设计

为了达到分析数据的目的，需要将NeuroSky TGAM与PL-2303HX芯片通过串口连接，波特率为57600，停止位为1，校验位为0（如图②），从而达到通过电脑获取数据的目的，但通过实际测试可见，当把Neurosky TGAM的串行接口直接引入PL-2303HX芯片时，采集到的信号会受到频谱在50Hz处的信号干扰，为此，本文的数据所得均采用BC04-B蓝牙芯片进行串口透明传输（如图③），尽可能降低脑电波采集受到的干扰。

五、NeuroSky TGAM数据分析

通过串口可以获取NeuroSky TGAM传输过来的数据，NeuroSky TGAM分别以512Hz的频率发送原始数据包、以1Hz的频率发送经eSense™算法处理后的数据包。原始数据包数据头为AAAA048002，处理后的数据包数据头为AAAA2002，依此便可区分不同数据包。

数据包中每个帧位与具体的表示含义如下表。其中，处理后的数据包的第8到第24帧位分别表示：24位的Delta数据、24位的Theta数据、24位的LowAlpha数据、24位的HighAlpha数据、24位的Lowbeta数据、24位的HighBeta数据、24位的LowGamma数据以及24位的MiddleGamma数据。

校验位为每个数据包最后的四帧相加后取低八位的数值。信号强度的值为0-200之间，其中0代表信号最好，200代表信号最差，在实际的EEG识别与控制中，必须保证干式电机和脑前额的接触良好，即信号为0时才能获取准确的EEG特征。Attention和Meditation分别代表专注度和冥想度，其范围为0-100。其中，Attention的值越大代表专注度越高，越小则代表精神越不集中；Meditation的值越大代表精神状态越放松，越小则代表大脑思维活跃度越高。周期为2ms的原始数据包：帧位 1 2 3 4 5 6-7 8数据 AA AA 04 80 02 原始数据 校验位周期为1000ms的eSense™算法处理后数据包：帧位 1 2 3 4 5 6 7数据 AA AA 20 02 信号强度 83 18帧位 8-24 36 37 38 39 40 数据 不同波段脑电波 04 Attention 05 Meditation 校验位 六、EEG的识别由原始数据包和经eSense™算法处理后的数据包的信息，可以分别进行简单的算法，从而实现眨眼识别和意识识别，并以此进行控制。当眨眼时，额头肌电电位会发生变化，导致采集到的原始数据会出现一次较大的波峰值和波谷值的变化，因此可以获取并参照静态EEG波形，得出静态EEG脑波规律，使其与实时波形进行比对，当在短暂时间内依次出现一次与静态EEG值偏差1/128以上的波谷和波峰时，即认定为眨眼。Attention和Meditation是由NeuroSky公司研发的eSense™算法得出，通过对Attention和Meditation两项指标的测试，可以得到结论：在一般成年人的常态精神状况下，极少出现Attention和Meditation大于90或者小于5的情况，但可以通过一段时间的训练，人为地有意识地冥想、放松、集中注意力或者保持松懈，来使得该两项指标达到90以上或者5以下。因此，可以通过对Attention和Meditation的数值设置阀值进行判断，以响应低专注、高专注、放松和冥想四种精神状态。本文通过对NeuroSky TGAM概述，脑电信号认知、采集和传输以及对EEG的识别，最终得出了四种脑电信号判断以及一种肌电信号的判断，已能够实现在某些场合下的实际应用。但是经不断试验，采用单路干式电极采集方案的NeuroSky TGAM，与采用湿电极方案相比，其对EEG采集的精度和准确度不足；与采用多路方案的emotiv等型号相比其分析深度也有较大差距。但就脑机接口的实用化和普及化而言，无论在穿戴的方便性、性价比还是开发的便捷性等方便，NeuroSky TGAM这样的方案还具有着比较好的前景。通过今后医学上对不同频段脑电波的研究的深入，单路干式电极方案所能提取的EEG特征数量将会逐步增加。参考文献：[1] NeuroSky: BCI technology grounded in laboratory research,http://company.neurosky.com/university/.[2] 王毅军.基于节律调制的脑机接口系统——从离线到在线的跨越[D].北京:清华大学，2007.endprint

摘要：随着物联网以及穿戴设备的迅速发展与普及，人们在从最初的依靠键盘鼠标的输入设备与机器的互动，到触摸方式的互动，人们逐渐对更加便携和直接的互动方式更加渴望，脑机接口不仅具有良好的互动体验，为肢体上行动不便的人们带来了福音。本文则针对消费级脑电芯片的NeuroSky的电路设计、数据获取以及数据分析控制进行研究。该脑机接口技术对多种研究领域具有非常重要的参考价值。

关键词：NeuroSky；TGAM EEG；干式电极；脑电波

中图分类号：G642 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）13-010-01

脑机接口技术是使生物的大脑与人工智能处理器之间构造通信通道，使得处理器能够识别EEG信号并通过提取特征进行匹配等方式响应相应动作。

一、Neurosky TGAM概述

NeuroSky公司生产的TGAM芯片是单通道的EEG提取芯片，它利用一个干式电极提取微弱的脑电信号，并同时过滤掉周围的噪音及其他电力干扰，最终转化为数字信号并通过串行UART进行传输。其使用的干式电极与湿式电极相比较，由于湿式电极需要在电极上涂抹导电胶，使得电极可以与头皮充分接触，但导电胶不易于清洗，引起不必要的麻烦，因此不适合用在消费级产品上；而干电极无需其他导电介质，从而更加方便穿戴。同时，NeuroSky公司的TGAM芯片的零售价格为十几元每片并且供货量较为充足，因此方便购买并且具有较高的性价比。

Neurosky TGAM芯片将采集电极帖在大脑左前额处，两个参考电极放置在左耳乳突出和右耳乳突出，通过计算参考电势来消除干扰，帮助降噪。在不连接参考电极时进行脑电采集，波形具有较大的干扰以致脑电波完全处在噪声当中无法识别。

二、自发脑电信号的节律特征

脑电是一种生物电现象，是一些自发的有节律的神经电活动，其频率基本在35Hz以内，按照频率的不同可划分为Gamma波、Beta波、Alpha波、Theta波以及Delta波，其幅度范围在5μV~1000μV，不同频率段的脑电信号都能够反映特定的表示大脑活动状态的信息：Delta波在成人深睡时显示较为活跃；Theta波在成人困倦乏力时显示较为活跃；Alpha波在成人静坐或静卧冥想时显示较为活跃；Beta波反映出精神状态；Gamma波涉及感觉、印象、记忆等较为深层的功能。

三、脑电信号的采集降噪

我国电力网采用50Hz频率的交流电，因此50Hz工频信号对信号采集具有很大影响，为是的数据更加准确则必须去除该干扰。

本文选用对电极采集信号进行低通滤波的方法消除50Hz工频信号的干扰，采用RLC带阻滤波器，利用串联谐振，将R、L、C串联，从L、C两端取电压，在谐振频率附近，L、C两端输出接近零（如图①）。同时，为进一步降低干扰，Neurosky TGAM的供电设备应选择电池，以避免开关电源或者线性电源本身带来的噪声干扰。

四、信号数据传输设计

为了达到分析数据的目的，需要将NeuroSky TGAM与PL-2303HX芯片通过串口连接，波特率为57600，停止位为1，校验位为0（如图②），从而达到通过电脑获取数据的目的，但通过实际测试可见，当把Neurosky TGAM的串行接口直接引入PL-2303HX芯片时，采集到的信号会受到频谱在50Hz处的信号干扰，为此，本文的数据所得均采用BC04-B蓝牙芯片进行串口透明传输（如图③），尽可能降低脑电波采集受到的干扰。

五、NeuroSky TGAM数据分析

通过串口可以获取NeuroSky TGAM传输过来的数据，NeuroSky TGAM分别以512Hz的频率发送原始数据包、以1Hz的频率发送经eSense™算法处理后的数据包。原始数据包数据头为AAAA048002，处理后的数据包数据头为AAAA2002，依此便可区分不同数据包。

数据包中每个帧位与具体的表示含义如下表。其中，处理后的数据包的第8到第24帧位分别表示：24位的Delta数据、24位的Theta数据、24位的LowAlpha数据、24位的HighAlpha数据、24位的Lowbeta数据、24位的HighBeta数据、24位的LowGamma数据以及24位的MiddleGamma数据。

校验位为每个数据包最后的四帧相加后取低八位的数值。信号强度的值为0-200之间，其中0代表信号最好，200代表信号最差，在实际的EEG识别与控制中，必须保证干式电机和脑前额的接触良好，即信号为0时才能获取准确的EEG特征。Attention和Meditation分别代表专注度和冥想度，其范围为0-100。其中，Attention的值越大代表专注度越高，越小则代表精神越不集中；Meditation的值越大代表精神状态越放松，越小则代表大脑思维活跃度越高。周期为2ms的原始数据包：帧位 1 2 3 4 5 6-7 8数据 AA AA 04 80 02 原始数据 校验位周期为1000ms的eSense™算法处理后数据包：帧位 1 2 3 4 5 6 7数据 AA AA 20 02 信号强度 83 18帧位 8-24 36 37 38 39 40 数据 不同波段脑电波 04 Attention 05 Meditation 校验位 六、EEG的识别由原始数据包和经eSense™算法处理后的数据包的信息，可以分别进行简单的算法，从而实现眨眼识别和意识识别，并以此进行控制。当眨眼时，额头肌电电位会发生变化，导致采集到的原始数据会出现一次较大的波峰值和波谷值的变化，因此可以获取并参照静态EEG波形，得出静态EEG脑波规律，使其与实时波形进行比对，当在短暂时间内依次出现一次与静态EEG值偏差1/128以上的波谷和波峰时，即认定为眨眼。Attention和Meditation是由NeuroSky公司研发的eSense™算法得出，通过对Attention和Meditation两项指标的测试，可以得到结论：在一般成年人的常态精神状况下，极少出现Attention和Meditation大于90或者小于5的情况，但可以通过一段时间的训练，人为地有意识地冥想、放松、集中注意力或者保持松懈，来使得该两项指标达到90以上或者5以下。因此，可以通过对Attention和Meditation的数值设置阀值进行判断，以响应低专注、高专注、放松和冥想四种精神状态。本文通过对NeuroSky TGAM概述，脑电信号认知、采集和传输以及对EEG的识别，最终得出了四种脑电信号判断以及一种肌电信号的判断，已能够实现在某些场合下的实际应用。但是经不断试验，采用单路干式电极采集方案的NeuroSky TGAM，与采用湿电极方案相比，其对EEG采集的精度和准确度不足；与采用多路方案的emotiv等型号相比其分析深度也有较大差距。但就脑机接口的实用化和普及化而言，无论在穿戴的方便性、性价比还是开发的便捷性等方便，NeuroSky TGAM这样的方案还具有着比较好的前景。通过今后医学上对不同频段脑电波的研究的深入，单路干式电极方案所能提取的EEG特征数量将会逐步增加。参考文献：[1] NeuroSky: BCI technology grounded in laboratory research,http://company.neurosky.com/university/.[2] 王毅军.基于节律调制的脑机接口系统——从离线到在线的跨越[D].北京:清华大学，2007.endprint

摘要：随着物联网以及穿戴设备的迅速发展与普及，人们在从最初的依靠键盘鼠标的输入设备与机器的互动，到触摸方式的互动，人们逐渐对更加便携和直接的互动方式更加渴望，脑机接口不仅具有良好的互动体验，为肢体上行动不便的人们带来了福音。本文则针对消费级脑电芯片的NeuroSky的电路设计、数据获取以及数据分析控制进行研究。该脑机接口技术对多种研究领域具有非常重要的参考价值。

关键词：NeuroSky；TGAM EEG；干式电极；脑电波

中图分类号：G642 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）13-010-01

脑机接口技术是使生物的大脑与人工智能处理器之间构造通信通道，使得处理器能够识别EEG信号并通过提取特征进行匹配等方式响应相应动作。

一、Neurosky TGAM概述

NeuroSky公司生产的TGAM芯片是单通道的EEG提取芯片，它利用一个干式电极提取微弱的脑电信号，并同时过滤掉周围的噪音及其他电力干扰，最终转化为数字信号并通过串行UART进行传输。其使用的干式电极与湿式电极相比较，由于湿式电极需要在电极上涂抹导电胶，使得电极可以与头皮充分接触，但导电胶不易于清洗，引起不必要的麻烦，因此不适合用在消费级产品上；而干电极无需其他导电介质，从而更加方便穿戴。同时，NeuroSky公司的TGAM芯片的零售价格为十几元每片并且供货量较为充足，因此方便购买并且具有较高的性价比。

Neurosky TGAM芯片将采集电极帖在大脑左前额处，两个参考电极放置在左耳乳突出和右耳乳突出，通过计算参考电势来消除干扰，帮助降噪。在不连接参考电极时进行脑电采集，波形具有较大的干扰以致脑电波完全处在噪声当中无法识别。

二、自发脑电信号的节律特征

脑电是一种生物电现象，是一些自发的有节律的神经电活动，其频率基本在35Hz以内，按照频率的不同可划分为Gamma波、Beta波、Alpha波、Theta波以及Delta波，其幅度范围在5μV~1000μV，不同频率段的脑电信号都能够反映特定的表示大脑活动状态的信息：Delta波在成人深睡时显示较为活跃；Theta波在成人困倦乏力时显示较为活跃；Alpha波在成人静坐或静卧冥想时显示较为活跃；Beta波反映出精神状态；Gamma波涉及感觉、印象、记忆等较为深层的功能。

三、脑电信号的采集降噪

我国电力网采用50Hz频率的交流电，因此50Hz工频信号对信号采集具有很大影响，为是的数据更加准确则必须去除该干扰。

本文选用对电极采集信号进行低通滤波的方法消除50Hz工频信号的干扰，采用RLC带阻滤波器，利用串联谐振，将R、L、C串联，从L、C两端取电压，在谐振频率附近，L、C两端输出接近零（如图①）。同时，为进一步降低干扰，Neurosky TGAM的供电设备应选择电池，以避免开关电源或者线性电源本身带来的噪声干扰。

四、信号数据传输设计

为了达到分析数据的目的，需要将NeuroSky TGAM与PL-2303HX芯片通过串口连接，波特率为57600，停止位为1，校验位为0（如图②），从而达到通过电脑获取数据的目的，但通过实际测试可见，当把Neurosky TGAM的串行接口直接引入PL-2303HX芯片时，采集到的信号会受到频谱在50Hz处的信号干扰，为此，本文的数据所得均采用BC04-B蓝牙芯片进行串口透明传输（如图③），尽可能降低脑电波采集受到的干扰。

五、NeuroSky TGAM数据分析

通过串口可以获取NeuroSky TGAM传输过来的数据，NeuroSky TGAM分别以512Hz的频率发送原始数据包、以1Hz的频率发送经eSense™算法处理后的数据包。原始数据包数据头为AAAA048002，处理后的数据包数据头为AAAA2002，依此便可区分不同数据包。

数据包中每个帧位与具体的表示含义如下表。其中，处理后的数据包的第8到第24帧位分别表示：24位的Delta数据、24位的Theta数据、24位的LowAlpha数据、24位的HighAlpha数据、24位的Lowbeta数据、24位的HighBeta数据、24位的LowGamma数据以及24位的MiddleGamma数据。

校验位为每个数据包最后的四帧相加后取低八位的数值。信号强度的值为0-200之间，其中0代表信号最好，200代表信号最差，在实际的EEG识别与控制中，必须保证干式电机和脑前额的接触良好，即信号为0时才能获取准确的EEG特征。Attention和Meditation分别代表专注度和冥想度，其范围为0-100。其中，Attention的值越大代表专注度越高，越小则代表精神越不集中；Meditation的值越大代表精神状态越放松，越小则代表大脑思维活跃度越高。周期为2ms的原始数据包：帧位 1 2 3 4 5 6-7 8数据 AA AA 04 80 02 原始数据 校验位周期为1000ms的eSense™算法处理后数据包：帧位 1 2 3 4 5 6 7数据 AA AA 20 02 信号强度 83 18帧位 8-24 36 37 38 39 40 数据 不同波段脑电波 04 Attention 05 Meditation 校验位 六、EEG的识别由原始数据包和经eSense™算法处理后的数据包的信息，可以分别进行简单的算法，从而实现眨眼识别和意识识别，并以此进行控制。当眨眼时，额头肌电电位会发生变化，导致采集到的原始数据会出现一次较大的波峰值和波谷值的变化，因此可以获取并参照静态EEG波形，得出静态EEG脑波规律，使其与实时波形进行比对，当在短暂时间内依次出现一次与静态EEG值偏差1/128以上的波谷和波峰时，即认定为眨眼。Attention和Meditation是由NeuroSky公司研发的eSense™算法得出，通过对Attention和Meditation两项指标的测试，可以得到结论：在一般成年人的常态精神状况下，极少出现Attention和Meditation大于90或者小于5的情况，但可以通过一段时间的训练，人为地有意识地冥想、放松、集中注意力或者保持松懈，来使得该两项指标达到90以上或者5以下。因此，可以通过对Attention和Meditation的数值设置阀值进行判断，以响应低专注、高专注、放松和冥想四种精神状态。本文通过对NeuroSky TGAM概述，脑电信号认知、采集和传输以及对EEG的识别，最终得出了四种脑电信号判断以及一种肌电信号的判断，已能够实现在某些场合下的实际应用。但是经不断试验，采用单路干式电极采集方案的NeuroSky TGAM，与采用湿电极方案相比，其对EEG采集的精度和准确度不足；与采用多路方案的emotiv等型号相比其分析深度也有较大差距。但就脑机接口的实用化和普及化而言，无论在穿戴的方便性、性价比还是开发的便捷性等方便，NeuroSky TGAM这样的方案还具有着比较好的前景。通过今后医学上对不同频段脑电波的研究的深入，单路干式电极方案所能提取的EEG特征数量将会逐步增加。参考文献：[1] NeuroSky: BCI technology grounded in laboratory research,http://company.neurosky.com/university/.[2] 王毅军.基于节律调制的脑机接口系统——从离线到在线的跨越[D].北京:清华大学，2007.endprint