微弱脑电信号提取方法的研究＊

周丽丽,杜寅甫,段大伟

（黑龙江省科学院智能制造研究所，黑龙江 哈尔滨 150090）

1 引言

伴随人类科技水平进步而到来的信息时代，各种学科蓬勃发展。一个多世纪以来，虽然科学家们呕心沥血致力于脑科学研究，但人类仍然对其了解甚少。大脑含有大量的神经元，结构极其复杂，它控制着我们的日常生活。

生物电活动在日常行为中产生。利用信号提取设备，我们可以捕捉到这些电信号，它的产生是因为人体内部含上亿个神经元，各个神经元间相互作用反馈最终出现这个生物电信号。脑电信号按目前标准分为两类，按引起电信号的方式来说有自发方式和诱发方式。自发方式是指人处于正常环境下，外界刺激影响较小，此时大脑因为生理需求产生的微弱生物电信号，而诱发方式是指人类个体受到体外刺激（如光，音，味道等）产生的微弱电信号，其受个体精神状态的影响而变化。

20世纪以来人类一直对脑活动开展研究。90年代，以欧美为首的多国将21世纪定义为“脑科学时代[1]”，并各自制定了长远的针对大脑的研究计划，最终可以将其总结为“了解脑、保护脑、创造脑”。“了解脑”是学习大脑的工作流程，包含大脑如何产生认知、产生情感、对外界事物如何进行学习、通讯等；“保护脑”是医疗领域的内容，核心在了解大脑结构预防疾病；“创造脑”是将二者结合并升华，其最终目的是开发类似大脑的微型控制器。

每个人的大脑由数十亿神经元构成，从个体角度看大脑表层差异很大，各类褶皱存在的方式也不相同，这无疑对脑信号获取增加了难度。国内脑电设备技术手段不成熟，依赖进口，整体上性能差异过大，没有普遍实用性，而且长期使用诱发方式进行获取会对人体造成一定程度上影响，因此如何设计出适用的采集设备逐渐成为研究核心。

2 脑电信号处理技术国内外研究现状

在通信领域电信号已经可以有多种方法可以处理，尤其是数字化信号处理方法，这些方法将脑电的研究推向新阶段。比如时频分析、功率谱分析、双谱分析、相关性分析等。通信领域电信号的处理都使用了这些方法，但脑电信号不同，它是一种微弱信号，这些分析并不能满足需要。多年来，世界各国科学家的研究成果，已遍布多个领域，在各方面成果斐然。比如在应用医学方面，PK McGuire[2]等人在面对某类疾病患者时，采取了计算脑局部血流速的方法，最终得出结论在大脑某些区域，血流速与患者症状强弱呈正相关；一九九八年，I．J．Rampil 和D．R．Stansk 验证了全身麻醉时脑电信号受到麻醉深度影响。二零零二年，TM Kilkenny 发表了抑郁症等精神障碍疾病患者脑中慢波减少的研究。二零零九年，Justin Dauwels[3]等医生证实了早期的帕金森症可以用某些脑电信号诊断。

国内高校和科研院所是脑电信号研究的主要力量。燕山大学李小俚教授等对于某些病人的生物电信号进行采集具体的研究，让其处于麻醉时与正常状态做对比，探究电信号受外界的影响，并设计出一种方法对异常进行识别与区分；浙大叶志前[4]教授等人不仅研究了麻醉过程中如何处理图像，还设计了将医学图像转化为便于观察的可视图的处理系统；北京工业大学李明爱老师等人深入探究了脑电信号的特征提取；北京物理与数学研究所的徐富强[5]等教授将各种技术相结合（比如核磁共振与视觉成像），开展跨学科研究，将脑神经网络在现实中重塑，建立相似模型。

综上所述，我国仍处于脑研究的起步阶段，而且多数科研成果与医疗紧密联系，因此还停留在保护脑的阶段。与国外相比，脑电信号处理的应用范围较小，技术水平差距很大。

3 脑电信号基本知识

3.1 脑电信号特点

脑电信号是人的一种生理信号。总结为以下几点：1)微弱性。人本身是导体，但阻抗极高，所以可检测的信号强度很低，以微量级计算，且受各种外界因素的影响变化很大；2)干扰源多。在人体内部存在很多强信号，这些其他信号都会影响脑电信号的获取；3)随机非平稳。人类个体生活在世界上，各器官作为整体共同工作，作为个体相互影响，因而影响到脑电信号，可以说它每时每刻都在变化；4)频域性。因此才使用时频域分析法研究脑电信号；5)非线性。脑电信号是非线性信号，与所有生命体的信号一致；6)关联性强。

3.2 研究脑电信号的意义

深入研究脑电可以让我们有可能揭开自身的秘密，了解生命的真相，提高科技水准。总结为以下几类：

a)认知脑结构并探究其运行规则；b)诊疗脑部疾病；c)控制情绪；d)推动脑-机接口系统革命；e)为制造仿生类脑计算机提供理论支持。

3.3 脑电信号分类

在研究脑电信号过程中常把它视作一种特殊的正弦波分析，虽然它并不标准。指标依然选用振幅、频率和相位来描述。脑电信号的分类在国际上主要有三种方法：频率法、图形法和Gibbs法。其中，频率法使用最广泛，该方法依据频率不同进行信号分类：1)δ 波：常在额叶和颞叶，慢波的一种。在幼儿、智力未成熟的青少年和处于疲劳、昏迷、脑损伤病变等状态的人中比较常见。2)θ 波：常在额叶和颞叶，神经系统受到压迫时会出现该波形。具有显著的θ 波的人包含精神病人、处于负面情绪的成年人。3)α波：常在枕叶和顶叶，一个正常人进行正常的生命活动时，此种波较强。4)β 波：常在中央前回和额叶。与δ 波不同，它是快波的一种，常现于人处于情绪激动和精神紧张时。

3.4 脑电信号的获取方法

通常获取的信号质量受多方面的影响，其中包括连接方式。当前科研中存在两种导联方式，单极导联和双极导联，二者使用都很广泛。单极导联是将检测电极放置在头皮，而把参考电极安放在与检测电极同侧、人体电位为零的位置。双极导联与单极导联不同，所有电极均被放置在头皮上，并以差模输入方式采集脑电信号。

电极在头皮的具体位置需要按需求自行设计，不同部位获取到的信号也不一样。19世纪60年代“10-20 国际标准导联系统[6]”诞生，其电极的具体分布位置见图1，一直沿用至今。该系统中，各电极间的距离使用百分数表示，电极位置的标识字母在前数字在后，并规定大脑右半球的电极标号使用偶数，左半球使用奇数，头部不同位置采用的字母对应人脑各皮层区域。

4 系统设计

脑电信号是一种弱信号，易被干扰，因此信号采集系统设计需遵循这些条件：1)前置放大器要求如下：①高增益②高输入阻抗③高共模抑制比[7](CMRR)④低噪声、低漂移；2)安全性。生物电极连入头皮后与人体结合，虽然电流不大，但电路中的部分电流就会流向人体，积累到一定程度，人还是有可能会受到伤害；3)无线传输。有线传输不方便，距离近，限制了传输范围，降低了便捷性；4)可延展性。脑科学发展的迅速程度远超想象，若只立足于当下，那么系统未来只能淘汰，很浪费资源，只有可扩展才是是未来的方向；5)降低成本。科研也要考虑现实因素，脱离实际不可取。

如图2所示：将电极连到脑头皮部位，若连接正常，开始采集脑电信号。脑电信号经过前置放大器放大和多级滤波，经过A/D 转换器进行预设的A/D 转换。然后，经过微处理器的处理，信号转换为数字形式同时被显示在液晶屏上，之后数字信号通过蓝牙模块被输送到PC 端，完成数据存储。最后，在应用程序中调试去除基线漂移[8]、生理伪迹和工频干扰，从而获得比较纯净的信号。

4.1 硬件设计

采集到的脑电信号质量受电极的性能影响。通常，此类电极具有简易、安全、恒定条件下工作状态稳定、对体表造成伤害少等特点。

医疗所用电极片一般如图3所示，主要材料为银/氯化银。该电极片符合上述条件，简易安全又稳定。

4.1.1 主控芯片选型与特性

微控制器决定了系统的整体性能与效率，本系统选择处理器条件如下：1)高速。实时显示脑电波形需要高速芯片快速处理，驱动液晶模块需要大量计算，因此需要扩展在线数据处理功能；2)高精度。高精度的A/D 转换器处理方便，实时性更好；3)存储足够。扩展内存和FLASH会降低实时处理速度，若存储足够大，那速度会提高；4)微型化、低能耗。设备微型化，能耗降低是趋势，更符合现实需求；5)UART[9]通信接口。蓝牙模块需要UART接口进行基本的通信功能。

4.1.2 预处理电路

是否有效采集脑电信号关键在于预处理电路。预处理电路包括前置放大和滤波电路等，主要完成信号的初级处理。根据前述系统设计要求，本文采用了多级放大和多级滤波方式。多级放大主要是因为信号微弱，为了满足A/D转换器的输入要求而设计，而多级滤波环节目的在于提取有用频带的脑电信号，保持信号通频带的能量。预处理电路工作流程如图4所示。

5 结束语

本文开篇对当前脑电信号处理技术进行了叙述，并对世界范围内的研究情况进行了概述，总体来说，近年来国内研究在相关领域突飞猛进，但远不及国外水准。之后，对脑电信号的产生、特性、分类和采集进行了介绍。再根据脑电信号的特点整体设计了简易采集方案。实际应用中，仍存在很多问题，比如纯净的脑信号极难获取，各类干扰很难去除等。脑电领域具有广阔的探索空间，在未来，相关领域的研究会越来越成熟，现在面临的的问题也会解决。