基于NeuroSky-TGAM腦機(jī)接口的EEG識(shí)別獲獎(jiǎng)科研報(bào)告論文

基于NeuroSkyTGAM腦機(jī)接口的EEG識(shí)別獲獎(jiǎng)科研報(bào)告論文摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)以及穿戴設(shè)備的迅速發(fā)展與普及，人們?cè)趶淖畛醯囊揽挎I盤鼠標(biāo)的輸入設(shè)備與機(jī)器的互動(dòng)，到觸摸方式的互動(dòng)，人們逐漸對(duì)更加便攜和直接的互動(dòng)方式更加渴望，腦機(jī)接口不僅具有良好的互動(dòng)體驗(yàn)，為肢體上行動(dòng)不便的人們帶來了福音。本文則針對(duì)消費(fèi)級(jí)腦電芯片的NeuroSky的電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)分析控制進(jìn)行研究。該腦機(jī)接口技術(shù)對(duì)多種研究領(lǐng)域具有非常重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：NeuroSky；TGAMEEG；干式電極；腦電波

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腦機(jī)接口技術(shù)是使生物的大腦與人工智能處理器之間構(gòu)造通信通道，使得處理器能夠識(shí)別EEG信號(hào)并通過提取特征進(jìn)行匹配等方式響應(yīng)相應(yīng)動(dòng)作。

一、NeuroskyTGAM概述

NeuroSky公司生產(chǎn)的TGAM芯片是單通道的EEG提取芯片，它利用一個(gè)干式電極提取微弱的腦電信號(hào)，并同時(shí)過濾掉周圍的噪音及其他電力干擾，最終轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并通過串行UART進(jìn)行傳輸。其使用的干式電極與濕式電極相比較，由于濕式電極需要在電極上涂抹導(dǎo)電膠，使得電極可以與頭皮充分接觸，但導(dǎo)電膠不易于清洗，引起不必要的麻煩，因此不適合用在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品上；而干電極無需其他導(dǎo)電介質(zhì)，從而更加方便穿戴。同時(shí)，NeuroSky公司的TGAM芯片的零售價(jià)格為十幾元每片并且供貨量較為充足，因此方便購(gòu)買并且具有較高的性價(jià)比。

NeuroskyTGAM芯片將采集電極帖在大腦左前額處，兩個(gè)參考電極放置在左耳乳突出和右耳乳突出，通過計(jì)算參考電勢(shì)來消除干擾，幫助降噪。在不連接參考電極時(shí)進(jìn)行腦電采集，波形具有較大的干擾以致腦電波完全處在噪聲當(dāng)中無法識(shí)別。

二、自發(fā)腦電信號(hào)的節(jié)律特征

腦電是一種生物電現(xiàn)象，是一些自發(fā)的有節(jié)律的神經(jīng)電活動(dòng)，其頻率基本在35Hz以內(nèi)，按照頻率的不同可劃分為Gamma波、Beta波、Alpha波、Theta波以及Delta波，其幅度范圍在5μV~1000μV，不同頻率段的腦電信號(hào)都能夠反映特定的表示大腦活動(dòng)狀態(tài)的信息：Delta波在成人深睡時(shí)顯示較為活躍；Theta波在成人困倦乏力時(shí)顯示較為活躍；Alpha波在成人靜坐或靜臥冥想時(shí)顯示較為活躍；Beta波反映出精神狀態(tài)；Gamma波涉及感覺、印象、記憶等較為深層的功能。

三、腦電信號(hào)的采集降噪

我國(guó)電力網(wǎng)采用50Hz頻率的交流電，因此50Hz工頻信號(hào)對(duì)信號(hào)采集具有很大影響，為是的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確則必須去除該干擾。

本文選用對(duì)電極采集信號(hào)進(jìn)行低通濾波的方法消除50Hz工頻信號(hào)的干擾，采用RLC帶阻濾波器，利用串聯(lián)諧振，將R、L、C串聯(lián)，從L、C兩端取電壓，在諧振頻率附近，L、C兩端輸出接近零（如圖①）。同時(shí)，為進(jìn)一步降低干擾，NeuroskyTGAM的供電設(shè)備應(yīng)選擇電池，以避免開關(guān)電源或者線性電源本身帶來的噪聲干擾。

四、信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

為了達(dá)到分析數(shù)據(jù)的目的，需要將NeuroSkyTGAM與PL-2303HX芯片通過串口連接，波特率為57600，停止位為1，校驗(yàn)位為0（如圖②），從而達(dá)到通過電腦獲取數(shù)據(jù)的目的，但通過實(shí)際測(cè)試可見，當(dāng)把NeuroskyTGAM的串行接口直接引入PL-2303HX芯片時(shí)，采集到的信號(hào)會(huì)受到頻譜在50Hz處的信號(hào)干擾，為此，本文的數(shù)據(jù)所得均采用BC04-B藍(lán)牙芯片進(jìn)行串口透明傳輸（如圖③），盡可能降低腦電波采集受到的干擾。

五、NeuroSkyTGAM數(shù)據(jù)分析

通過串口可以獲取NeuroSkyTGAM傳輸過來的數(shù)據(jù)，NeuroSkyTGAM分別以512Hz的頻率發(fā)送原始數(shù)據(jù)包、以1Hz的頻率發(fā)送經(jīng)eSense?算法處理后的數(shù)據(jù)包。原始數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)頭為AAAA048002，處理后的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)頭為AAAA2002，依此便可區(qū)分不同數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)包中每個(gè)幀位與具體的表示含義如下表。其中，處理后的數(shù)據(jù)包的第8到第24幀位分別表示：24位的Delta數(shù)據(jù)、24位的Theta數(shù)據(jù)、24位的LowAlpha數(shù)據(jù)、24位的HighAlpha數(shù)據(jù)、24位的Lowbeta數(shù)據(jù)、24位的HighBeta數(shù)據(jù)、24位的LowGamma數(shù)據(jù)以及24位的MiddleGamma數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)位為每個(gè)數(shù)據(jù)包最后的四幀相加后取低八位的數(shù)值。信號(hào)強(qiáng)度的值為0-200之間，其中0代表信號(hào)最好，200代表信號(hào)最差，在實(shí)際的EEG識(shí)別與控制中，必須保證干式電機(jī)和腦前額的接觸良好，即信號(hào)為0時(shí)才能獲取準(zhǔn)確的EEG特征。Attention和Meditation分別代表專注度和冥想度，其范圍為0-100。其中，Attention的值越大代表專注度越高，越小則代表精神越不集中；Meditation的值越大代表精神狀態(tài)越放松，越小則代表大腦思維活躍度越高。周期為2ms的原始數(shù)據(jù)包：幀位123456-78數(shù)據(jù)AAAA048002原始數(shù)據(jù)校驗(yàn)位周期為1000ms的eSense?算法處理后數(shù)據(jù)包：幀位1234567數(shù)據(jù)AAAA2002信號(hào)強(qiáng)度8318幀位8-243637383940數(shù)據(jù)不同波段腦電波04Attention05Meditation校驗(yàn)位六、EEG的識(shí)別由原始數(shù)據(jù)包和經(jīng)eSense?算法處理后的數(shù)據(jù)包的信息，可以分別進(jìn)行簡(jiǎn)單的算法，從而實(shí)現(xiàn)眨眼識(shí)別和意識(shí)識(shí)別，并以此進(jìn)行控制。當(dāng)眨眼時(shí)，額頭肌電電位會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致采集到的原始數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一次較大的波峰值和波谷值的變化，因此可以獲取并參照靜態(tài)EEG波形，得出靜態(tài)EEG腦波規(guī)律，使其與實(shí)時(shí)波形進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)在短暫時(shí)間內(nèi)依次出現(xiàn)一次與靜態(tài)EEG值偏差1/128以上的波谷和波峰時(shí)，即認(rèn)定為眨眼。Attention和Meditation是由NeuroSky公司研發(fā)的eSense?算法得出，通過對(duì)Attention和Meditation兩項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試，可以得到結(jié)論：在一般成年人的常態(tài)精神狀況下，極少出現(xiàn)Attention和Meditation大于90或者小于5的情況，但可以通過一段時(shí)間的訓(xùn)練，人為地有意識(shí)地冥想、放松、集中注意力或者保持松懈，來使得該兩項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到90以上或者5以下。因此，可以通過對(duì)Attention和Meditation的數(shù)值設(shè)置閥值進(jìn)行判斷，以響應(yīng)低專注、高專注、放松和冥想四種精神狀態(tài)。本文通過對(duì)NeuroSkyTGAM概述，腦電信號(hào)認(rèn)知、采集和傳輸以及對(duì)EEG的識(shí)別，最終得出了四種腦電信號(hào)判斷以及一種肌電信號(hào)的判斷，已能夠?qū)崿F(xiàn)在某些場(chǎng)合下的實(shí)際應(yīng)用。但是經(jīng)不斷試驗(yàn)，采用單路干式電極采集方案的NeuroSkyTGAM，與采用濕電極方案相比，其對(duì)EEG采集的精度和準(zhǔn)確度不足；與采用