王靜茜+莫榮+蔡曉東

摘要：隨著物聯(lián)網以及穿戴設備的迅速發(fā)展與普及，人們在從最初的依靠鍵盤鼠標的輸入設備與機器的互動，到觸摸方式的互動，人們逐漸對更加便攜和直接的互動方式更加渴望，腦機接口不僅具有良好的互動體驗，為肢體上行動不便的人們帶來了福音。本文則針對消費級腦電芯片的NeuroSky的電路設計、數據獲取以及數據分析控制進行研究。該腦機接口技術對多種研究領域具有非常重要的參考價值。

關鍵詞：NeuroSky；TGAM EEG；干式電極；腦電波

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2014）13-010-01

腦機接口技術是使生物的大腦與人工智能處理器之間構造通信通道，使得處理器能夠識別EEG信號并通過提取特征進行匹配等方式響應相應動作。

一、Neurosky TGAM概述

NeuroSky公司生產的TGAM芯片是單通道的EEG提取芯片，它利用一個干式電極提取微弱的腦電信號，并同時過濾掉周圍的噪音及其他電力干擾，最終轉化為數字信號并通過串行UART進行傳輸。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電膠，使得電極可以與頭皮充分接觸，但導電膠不易于清洗，引起不必要的麻煩，因此不適合用在消費級產品上；而干電極無需其他導電介質，從而更加方便穿戴。同時，NeuroSky公司的TGAM芯片的零售價格為十幾元每片并且供貨量較為充足，因此方便購買并且具有較高的性價比。

Neurosky TGAM芯片將采集電極帖在大腦左前額處，兩個參考電極放置在左耳乳突出和右耳乳突出，通過計算參考電勢來消除干擾，幫助降噪。在不連接參考電極時進行腦電采集，波形具有較大的干擾以致腦電波完全處在噪聲當中無法識別。

二、自發(fā)腦電信號的節(jié)律特征

腦電是一種生物電現象，是一些自發(fā)的有節(jié)律的神經電活動，其頻率基本在35Hz以內，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都能夠反映特定的表示大腦活動狀態(tài)的信息：Delta波在成人深睡時顯示較為活躍；Theta波在成人困倦乏力時顯示較為活躍；Alpha波在成人靜坐或靜臥冥想時顯示較為活躍；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、腦電信號的采集降噪

我國電力網采用50Hz頻率的交流電，因此50Hz工頻信號對信號采集具有很大影響，為是的數據更加準確則必須去除該干擾。

本文選用對電極采集信號進行低通濾波的方法消除50Hz工頻信號的干擾，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，為進一步降低干擾，Neurosky TGAM的供電設備應選擇電池，以避免開關電源或者線性電源本身帶來的噪聲干擾。

四、信號數據傳輸設計

為了達到分析數據的目的，需要將NeuroSky TGAM與PL-2303HX芯片通過串口連接，波特率為57600，停止位為1，校驗位為0（如圖②），從而達到通過電腦獲取數據的目的，但通過實際測試可見，當把Neurosky TGAM的串行接口直接引入PL-2303HX芯片時，采集到的信號會受到頻譜在50Hz處的信號干擾，為此，本文的數據所得均采用BC04-B藍牙芯片進行串口透明傳輸（如圖③），盡可能降低腦電波采集受到的干擾。

五、NeuroSky TGAM數據分析

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

數據包中每個幀位與具體的表示含義如下表。其中，處理后的數據包的第8到第24幀位分別表示：24位的Delta數據、24位的Theta數據、24位的LowAlpha數據、24位的HighAlpha數據、24位的Lowbeta數據、24位的HighBeta數據、24位的LowGamma數據以及24位的MiddleGamma數據。

校驗位為每個數據包最后的四幀相加后取低八位的數值。信號強度的值為0-200之間，其中0代表信號最好，200代表信號最差，在實際的EEG識別與控制中，必須保證干式電機和腦前額的接觸良好，即信號為0時才能獲取準確的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的原始數據包：幀位 1 2 3 4 5 6-7 8數據 AA AA 04 80 02 原始數據 校驗位周期為1000ms的eSense?算法處理后數據包：幀位 1 2 3 4 5 6 7數據 AA AA 20 02 信號強度 83 18幀位 8-24 36 37 38 39 40 數據 不同波段腦電波 04 Attention 05 Meditation 校驗位 六、EEG的識別由原始數據包和經eSense?算法處理后的數據包的信息，可以分別進行簡單的算法，從而實現眨眼識別和意識識別，并以此進行控制。當眨眼時，額頭肌電電位會發(fā)生變化，導致采集到的原始數據會出現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，使其與實時波形進行比對，當在短暫時間內依次出現一次與靜態(tài)EEG值偏差1/128以上的波谷和波峰時，即認定為眨眼。Attention和Meditation是由NeuroSky公司研發(fā)的eSense?算法得出，通過對Attention和Meditation兩項指標的測試，可以得到結論：在一般成年人的常態(tài)精神狀況下，極少出現Attention和Meditation大于90或者小于5的情況，但可以通過一段時間的訓練，人為地有意識地冥想、放松、集中注意力或者保持松懈，來使得該兩項指標達到90以上或者5以下。因此，可以通過對Attention和Meditation的數值設置閥值進行判斷，以響應低專注、高專注、放松和冥想四種精神狀態(tài)。本文通過對NeuroSky TGAM概述，腦電信號認知、采集和傳輸以及對EEG的識別，最終得出了四種腦電信號判斷以及一種肌電信號的判斷，已能夠實現在某些場合下的實際應用。但是經不斷試驗，采用單路干式電極采集方案的NeuroSky TGAM，與采用濕電極方案相比，其對EEG采集的精度和準確度不足；與采用多路方案的emotiv等型號相比其分析深度也有較大差距。但就腦機接口的實用化和普及化而言，無論在穿戴的方便性、性價比還是開發(fā)的便捷性等方便，NeuroSky TGAM這樣的方案還具有著比較好的前景。通過今后醫(yī)學上對不同頻段腦電波的研究的深入，單路干式電極方案所能提取的EEG特征數量將會逐步增加。參考文獻：[1] NeuroSky: BCI technology grounded in laboratory research,http://company.neurosky.com/university/.[2] 王毅軍.基于節(jié)律調制的腦機接口系統(tǒng)——從離線到在線的跨越[D].北京:清華大學，2007.endprint

摘要：隨著物聯(lián)網以及穿戴設備的迅速發(fā)展與普及，人們在從最初的依靠鍵盤鼠標的輸入設備與機器的互動，到觸摸方式的互動，人們逐漸對更加便攜和直接的互動方式更加渴望，腦機接口不僅具有良好的互動體驗，為肢體上行動不便的人們帶來了福音。本文則針對消費級腦電芯片的NeuroSky的電路設計、數據獲取以及數據分析控制進行研究。該腦機接口技術對多種研究領域具有非常重要的參考價值。

關鍵詞：NeuroSky；TGAM EEG；干式電極；腦電波

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2014）13-010-01

腦機接口技術是使生物的大腦與人工智能處理器之間構造通信通道，使得處理器能夠識別EEG信號并通過提取特征進行匹配等方式響應相應動作。

一、Neurosky TGAM概述

NeuroSky公司生產的TGAM芯片是單通道的EEG提取芯片，它利用一個干式電極提取微弱的腦電信號，并同時過濾掉周圍的噪音及其他電力干擾，最終轉化為數字信號并通過串行UART進行傳輸。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電膠，使得電極可以與頭皮充分接觸，但導電膠不易于清洗，引起不必要的麻煩，因此不適合用在消費級產品上；而干電極無需其他導電介質，從而更加方便穿戴。同時，NeuroSky公司的TGAM芯片的零售價格為十幾元每片并且供貨量較為充足，因此方便購買并且具有較高的性價比。

Neurosky TGAM芯片將采集電極帖在大腦左前額處，兩個參考電極放置在左耳乳突出和右耳乳突出，通過計算參考電勢來消除干擾，幫助降噪。在不連接參考電極時進行腦電采集，波形具有較大的干擾以致腦電波完全處在噪聲當中無法識別。

二、自發(fā)腦電信號的節(jié)律特征

腦電是一種生物電現象，是一些自發(fā)的有節(jié)律的神經電活動，其頻率基本在35Hz以內，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都能夠反映特定的表示大腦活動狀態(tài)的信息：Delta波在成人深睡時顯示較為活躍；Theta波在成人困倦乏力時顯示較為活躍；Alpha波在成人靜坐或靜臥冥想時顯示較為活躍；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、腦電信號的采集降噪

我國電力網采用50Hz頻率的交流電，因此50Hz工頻信號對信號采集具有很大影響，為是的數據更加準確則必須去除該干擾。

本文選用對電極采集信號進行低通濾波的方法消除50Hz工頻信號的干擾，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，為進一步降低干擾，Neurosky TGAM的供電設備應選擇電池，以避免開關電源或者線性電源本身帶來的噪聲干擾。

四、信號數據傳輸設計

為了達到分析數據的目的，需要將NeuroSky TGAM與PL-2303HX芯片通過串口連接，波特率為57600，停止位為1，校驗位為0（如圖②），從而達到通過電腦獲取數據的目的，但通過實際測試可見，當把Neurosky TGAM的串行接口直接引入PL-2303HX芯片時，采集到的信號會受到頻譜在50Hz處的信號干擾，為此，本文的數據所得均采用BC04-B藍牙芯片進行串口透明傳輸（如圖③），盡可能降低腦電波采集受到的干擾。

五、NeuroSky TGAM數據分析

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

數據包中每個幀位與具體的表示含義如下表。其中，處理后的數據包的第8到第24幀位分別表示：24位的Delta數據、24位的Theta數據、24位的LowAlpha數據、24位的HighAlpha數據、24位的Lowbeta數據、24位的HighBeta數據、24位的LowGamma數據以及24位的MiddleGamma數據。

校驗位為每個數據包最后的四幀相加后取低八位的數值。信號強度的值為0-200之間，其中0代表信號最好，200代表信號最差，在實際的EEG識別與控制中，必須保證干式電機和腦前額的接觸良好，即信號為0時才能獲取準確的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的原始數據包：幀位 1 2 3 4 5 6-7 8數據 AA AA 04 80 02 原始數據 校驗位周期為1000ms的eSense?算法處理后數據包：幀位 1 2 3 4 5 6 7數據 AA AA 20 02 信號強度 83 18幀位 8-24 36 37 38 39 40 數據 不同波段腦電波 04 Attention 05 Meditation 校驗位 六、EEG的識別由原始數據包和經eSense?算法處理后的數據包的信息，可以分別進行簡單的算法，從而實現眨眼識別和意識識別，并以此進行控制。當眨眼時，額頭肌電電位會發(fā)生變化，導致采集到的原始數據會出現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，使其與實時波形進行比對，當在短暫時間內依次出現一次與靜態(tài)EEG值偏差1/128以上的波谷和波峰時，即認定為眨眼。Attention和Meditation是由NeuroSky公司研發(fā)的eSense?算法得出，通過對Attention和Meditation兩項指標的測試，可以得到結論：在一般成年人的常態(tài)精神狀況下，極少出現Attention和Meditation大于90或者小于5的情況，但可以通過一段時間的訓練，人為地有意識地冥想、放松、集中注意力或者保持松懈，來使得該兩項指標達到90以上或者5以下。因此，可以通過對Attention和Meditation的數值設置閥值進行判斷，以響應低專注、高專注、放松和冥想四種精神狀態(tài)。本文通過對NeuroSky TGAM概述，腦電信號認知、采集和傳輸以及對EEG的識別，最終得出了四種腦電信號判斷以及一種肌電信號的判斷，已能夠實現在某些場合下的實際應用。但是經不斷試驗，采用單路干式電極采集方案的NeuroSky TGAM，與采用濕電極方案相比，其對EEG采集的精度和準確度不足；與采用多路方案的emotiv等型號相比其分析深度也有較大差距。但就腦機接口的實用化和普及化而言，無論在穿戴的方便性、性價比還是開發(fā)的便捷性等方便，NeuroSky TGAM這樣的方案還具有著比較好的前景。通過今后醫(yī)學上對不同頻段腦電波的研究的深入，單路干式電極方案所能提取的EEG特征數量將會逐步增加。參考文獻：[1] NeuroSky: BCI technology grounded in laboratory research,http://company.neurosky.com/university/.[2] 王毅軍.基于節(jié)律調制的腦機接口系統(tǒng)——從離線到在線的跨越[D].北京:清華大學，2007.endprint

摘要：隨著物聯(lián)網以及穿戴設備的迅速發(fā)展與普及，人們在從最初的依靠鍵盤鼠標的輸入設備與機器的互動，到觸摸方式的互動，人們逐漸對更加便攜和直接的互動方式更加渴望，腦機接口不僅具有良好的互動體驗，為肢體上行動不便的人們帶來了福音。本文則針對消費級腦電芯片的NeuroSky的電路設計、數據獲取以及數據分析控制進行研究。該腦機接口技術對多種研究領域具有非常重要的參考價值。

關鍵詞：NeuroSky；TGAM EEG；干式電極；腦電波

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2014）13-010-01

腦機接口技術是使生物的大腦與人工智能處理器之間構造通信通道，使得處理器能夠識別EEG信號并通過提取特征進行匹配等方式響應相應動作。

一、Neurosky TGAM概述

NeuroSky公司生產的TGAM芯片是單通道的EEG提取芯片，它利用一個干式電極提取微弱的腦電信號，并同時過濾掉周圍的噪音及其他電力干擾，最終轉化為數字信號并通過串行UART進行傳輸。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電膠，使得電極可以與頭皮充分接觸，但導電膠不易于清洗，引起不必要的麻煩，因此不適合用在消費級產品上；而干電極無需其他導電介質，從而更加方便穿戴。同時，NeuroSky公司的TGAM芯片的零售價格為十幾元每片并且供貨量較為充足，因此方便購買并且具有較高的性價比。

Neurosky TGAM芯片將采集電極帖在大腦左前額處，兩個參考電極放置在左耳乳突出和右耳乳突出，通過計算參考電勢來消除干擾，幫助降噪。在不連接參考電極時進行腦電采集，波形具有較大的干擾以致腦電波完全處在噪聲當中無法識別。

二、自發(fā)腦電信號的節(jié)律特征

腦電是一種生物電現象，是一些自發(fā)的有節(jié)律的神經電活動，其頻率基本在35Hz以內，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都能夠反映特定的表示大腦活動狀態(tài)的信息：Delta波在成人深睡時顯示較為活躍；Theta波在成人困倦乏力時顯示較為活躍；Alpha波在成人靜坐或靜臥冥想時顯示較為活躍；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、腦電信號的采集降噪

我國電力網采用50Hz頻率的交流電，因此50Hz工頻信號對信號采集具有很大影響，為是的數據更加準確則必須去除該干擾。

本文選用對電極采集信號進行低通濾波的方法消除50Hz工頻信號的干擾，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，為進一步降低干擾，Neurosky TGAM的供電設備應選擇電池，以避免開關電源或者線性電源本身帶來的噪聲干擾。

四、信號數據傳輸設計

為了達到分析數據的目的，需要將NeuroSky TGAM與PL-2303HX芯片通過串口連接，波特率為57600，停止位為1，校驗位為0（如圖②），從而達到通過電腦獲取數據的目的，但通過實際測試可見，當把Neurosky TGAM的串行接口直接引入PL-2303HX芯片時，采集到的信號會受到頻譜在50Hz處的信號干擾，為此，本文的數據所得均采用BC04-B藍牙芯片進行串口透明傳輸（如圖③），盡可能降低腦電波采集受到的干擾。

五、NeuroSky TGAM數據分析

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

數據包中每個幀位與具體的表示含義如下表。其中，處理后的數據包的第8到第24幀位分別表示：24位的Delta數據、24位的Theta數據、24位的LowAlpha數據、24位的HighAlpha數據、24位的Lowbeta數據、24位的HighBeta數據、24位的LowGamma數據以及24位的MiddleGamma數據。

校驗位為每個數據包最后的四幀相加后取低八位的數值。信號強度的值為0-200之間，其中0代表信號最好，200代表信號最差，在實際的EEG識別與控制中，必須保證干式電機和腦前額的接觸良好，即信號為0時才能獲取準確的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的原始數據包：幀位 1 2 3 4 5 6-7 8數據 AA AA 04 80 02 原始數據 校驗位周期為1000ms的eSense?算法處理后數據包：幀位 1 2 3 4 5 6 7數據 AA AA 20 02 信號強度 83 18幀位 8-24 36 37 38 39 40 數據 不同波段腦電波 04 Attention 05 Meditation 校驗位 六、EEG的識別由原始數據包和經eSense?算法處理后的數據包的信息，可以分別進行簡單的算法，從而實現眨眼識別和意識識別，并以此進行控制。當眨眼時，額頭肌電電位會發(fā)生變化，導致采集到的原始數據會出現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，使其與實時波形進行比對，當在短暫時間內依次出現一次與靜態(tài)EEG值偏差1/128以上的波谷和波峰時，即認定為眨眼。Attention和Meditation是由NeuroSky公司研發(fā)的eSense?算法得出，通過對Attention和Meditation兩項指標的測試，可以得到結論：在一般成年人的常態(tài)精神狀況下，極少出現Attention和Meditation大于90或者小于5的情況，但可以通過一段時間的訓練，人為地有意識地冥想、放松、集中注意力或者保持松懈，來使得該兩項指標達到90以上或者5以下。因此，可以通過對Attention和Meditation的數值設置閥值進行判斷，以響應低專注、高專注、放松和冥想四種精神狀態(tài)。本文通過對NeuroSky TGAM概述，腦電信號認知、采集和傳輸以及對EEG的識別，最終得出了四種腦電信號判斷以及一種肌電信號的判斷，已能夠實現在某些場合下的實際應用。但是經不斷試驗，采用單路干式電極采集方案的NeuroSky TGAM，與采用濕電極方案相比，其對EEG采集的精度和準確度不足；與采用多路方案的emotiv等型號相比其分析深度也有較大差距。但就腦機接口的實用化和普及化而言，無論在穿戴的方便性、性價比還是開發(fā)的便捷性等方便，NeuroSky TGAM這樣的方案還具有著比較好的前景。通過今后醫(yī)學上對不同頻段腦電波的研究的深入，單路干式電極方案所能提取的EEG特征數量將會逐步增加。參考文獻：[1] NeuroSky: BCI technology grounded in laboratory research,http://company.neurosky.com/university/.[2] 王毅軍.基于節(jié)律調制的腦機接口系統(tǒng)——從離線到在線的跨越[D].北京:清華大學，2007.endprint