摘 要 腦電波技術(shù)作為一種先進(jìn)的情緒監(jiān)測(cè)方法，其特點(diǎn)在于快速性、準(zhǔn)確性。本文根據(jù)單兵情緒監(jiān)測(cè)的具體要求，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)闡述了腦電波關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞 腦電波；心理（情緒）監(jiān)測(cè)；單兵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 單兵監(jiān)測(cè)系系統(tǒng)

近幾年，各國(guó)都在大力研制適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的武器裝備，檢測(cè)單兵生理狀態(tài)的便攜裝置也成為研究重點(diǎn)之一。這其中有美國(guó)的WPSM系統(tǒng)，英國(guó)的FIST計(jì)劃，法國(guó)的FELIN未來(lái)戰(zhàn)士項(xiàng)目，澳大利亞的LAND125計(jì)劃及德國(guó)的IDZ未來(lái)戰(zhàn)士計(jì)劃。

1.2 腦電波技術(shù)

當(dāng)前，典型的腦電波應(yīng)用產(chǎn)品有[1]：①M(fèi)indFlex 來(lái)自美泰，戴上配套的耳機(jī)，只要你集中精力，耳機(jī)會(huì)接收腦電波，可以用意念控制它的高低（意念越集中，小球漂浮得越高），然后飛過(guò)各種小障礙。②BrainLink 意念力頭箍來(lái)自宏智力科技，是國(guó)內(nèi)首個(gè)民用化的腦波穿戴式產(chǎn)品，采用了可拆卸設(shè)計(jì)，將傳感器支架和核心處理模塊分離，增加了支架配件的靈活度。③Epoc 來(lái)自美國(guó)腦波產(chǎn)品廠(chǎng)商 Emotiv，外形上最大的不同就是其傳感器的數(shù)目比上述產(chǎn)品多，優(yōu)點(diǎn)是可以探測(cè)出更多腦波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)更多的操控方式，例如能識(shí)別出前后左右等意識(shí)。

2 設(shè)計(jì)思路

新世紀(jì)之初，美國(guó)就開(kāi)始探討“腦機(jī)接口”技術(shù)軍事應(yīng)用，投入巨資研究武器與人相互作用機(jī)理。2004年，美國(guó)資助多個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行“思維控制機(jī)器人”研究，還聯(lián)合商業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)和地方政府開(kāi)展腦聽(tīng)器、心靈及生理相應(yīng)系統(tǒng)等多項(xiàng)“腦機(jī)接口”技術(shù)研發(fā)[2]。其“認(rèn)知技術(shù)威脅預(yù)警”項(xiàng)目，已經(jīng)獲得初步科研成果，可使單兵在2～3秒內(nèi)識(shí)別視場(chǎng)范圍內(nèi)的100個(gè)威脅目標(biāo)。

腦電裝備的難點(diǎn)在于腦電的采集和腦電信號(hào)的分類(lèi)與分析，在構(gòu)建總體規(guī)劃時(shí)，應(yīng)樹(shù)立信息至上的觀(guān)念，同時(shí)結(jié)合我國(guó)腦電研究的現(xiàn)狀，制定出切實(shí)可行的技術(shù)規(guī)范，綜合運(yùn)用混合電極采集腦電信號(hào)、情緒分類(lèi)算法、腦電信息分析、人工智能等技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于腦電波技術(shù)的單兵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)腦電采集，情緒分類(lèi)，腦電信息分析，作用反饋等功能信息一體化。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 腦電信號(hào)采集與處理技術(shù)

腦電信號(hào)幅度微弱，且易受干擾，需要從腦電信號(hào)中提取出與情緒相關(guān)的特征并把它進(jìn)行可視化。因此腦電相關(guān)技術(shù)主要包含了微弱信號(hào)采集技術(shù)、干擾去除技術(shù)、特征提取技術(shù)、模式識(shí)別和分類(lèi)技術(shù)。

（1）腦電采集。傳統(tǒng)腦電采集方式通常采用濕電極技術(shù)或干電極腦電采集技術(shù)，前者導(dǎo)電介質(zhì)的性能會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，使采集到的腦電信號(hào)出現(xiàn)失真，從而影響腦電信號(hào)的采集質(zhì)量；后者在毛發(fā)區(qū)域采集到的腦電信號(hào)還不是很穩(wěn)定，且需要放大器對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大，而放大器的體積和價(jià)格決定了其性?xún)r(jià)比較低。

（2）腦電信號(hào)提純算法。腦電信號(hào)在采集過(guò)程中十分容易受到外部環(huán)境的干擾，現(xiàn)有的偽跡去除方法往往只針對(duì)一種噪聲或幾種噪聲有效。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境十分復(fù)雜，干擾源也非常多，因此現(xiàn)有的偽跡去除方法很難有效地去除腦電信號(hào)中的偽跡[3]。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，基于腦電的情緒識(shí)別要求在線(xiàn)處理，這不但要求偽跡去除算法在偽跡去除方面具有較高的有效性，對(duì)于偽跡去除算法的時(shí)間復(fù)雜度也提出了較高的要求，這就需要開(kāi)發(fā)出更加有效的在線(xiàn)偽跡去除方法。

（3）腦電信號(hào)特征提取、平滑、降維。情緒狀態(tài)的變化通常是一個(gè)漸變的過(guò)程，而腦電信號(hào)中有一些變化劇烈的成分。為了盡可能減少這些劇烈變化部分的干擾，需要對(duì)腦電特征進(jìn)行平滑。目前比較常用的平滑方法是滑動(dòng)平均，但是由于滑動(dòng)平均具有一定的時(shí)間延遲。為了保證情緒狀態(tài)識(shí)別的實(shí)時(shí)性，需要對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行平滑，從而降低了任務(wù)不相關(guān)腦電信號(hào)對(duì)分析的影響。常用的方法主要有：線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)方法。

特征降維的方法可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是特征選擇，即從特征集合中挑選與任務(wù)相關(guān)的特征子集；另一類(lèi)是對(duì)原有特征進(jìn)行線(xiàn)性或非線(xiàn)性變換，將其映射到能夠最大限度反映情緒狀態(tài)的維度上，從而在數(shù)量上也達(dá)到了一定程度的減少。這主要包括組成成分分析（PCA）、獨(dú)立成分分析（ICA）和共同空間模式（CSP）等。

3.2 基于腦電信號(hào)的情緒分類(lèi)算法設(shè)計(jì)

腦電波信息提取分析技術(shù)，是通過(guò)腦電波傳感器探測(cè)大腦頭皮電流變化和血液的流動(dòng)信息來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)人的情緒狀態(tài)。

人腦非常復(fù)雜，即使在同一種狀態(tài)的情緒下，腦波也不會(huì)完全一致，因此需要對(duì)不同情緒狀態(tài)的情緒進(jìn)行特征提取，在獲得穩(wěn)定的特征后進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，以確保算法的穩(wěn)健性。

腦電波信號(hào)的噪聲包括生物電噪聲和環(huán)境噪聲。人體的生物電是反映人體各種生理狀態(tài)的一種重要信息。人體中除了腦電信號(hào)外，還有肌電信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)EMG）、心電信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)ECG）、眼動(dòng)電信號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)EOO）等各種生物電信號(hào)[4]。在頭皮表面采集到的電信號(hào)中，通常存在那些來(lái)自非大腦信號(hào)源的電信號(hào)，它們的信號(hào)強(qiáng)度與腦電波相當(dāng)或更強(qiáng)。其中眼動(dòng)電信號(hào)是最主要的生物電噪聲，它是眼角膜和視網(wǎng)膜之間的電勢(shì)差。當(dāng)眼瞼和眼球完全靜止時(shí)，該電勢(shì)差為零。但是，眨眼和眼球運(yùn)動(dòng)是難以避免的，隨之引起的眼瞼運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或一組幅值較大的電脈沖，對(duì)前額和穎頹（太陽(yáng)穴附近）部位采集的腦電波信號(hào)產(chǎn)生很大的干擾，但它對(duì)頭頂和枕骨附近的腦電波信號(hào)影響較小。此外，口腔的咬合和吞咽動(dòng)作引起的肌電信號(hào)也是常見(jiàn)的噪聲之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

在單兵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究方面，美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家走在了前列，研制了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)單兵生命特征的裝備，但對(duì)于單兵情緒狀態(tài)的監(jiān)測(cè)還沒(méi)有涉及。在我國(guó)，也有部分研究學(xué)者開(kāi)始對(duì)單兵的戰(zhàn)場(chǎng)即時(shí)救護(hù)、實(shí)時(shí)定位分析以及作戰(zhàn)單元之間的信息通訊進(jìn)行了研究，但也未曾涉及單兵情緒狀態(tài)監(jiān)測(cè)。本文基于腦電波技術(shù)的單兵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究新方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳衛(wèi)國(guó).基于常用腦電分析指標(biāo)和HRV統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)運(yùn)動(dòng)員腦電波的研究[D].北京：北京體育學(xué)院碩士學(xué)位論文，2010.

[2] 王登，苗奪謙，王睿智.一種新的基于小波包分解的EEG特征抽取與識(shí)別方法研究[J].電子學(xué)報(bào)，2013，41（1）：193-198.

[3] 李勃.腦機(jī)接口技術(shù)研究綜述[J].數(shù)字通信，2013，40（4）：5-8.

[4] 胡德文."腦機(jī)接口"技術(shù)：讓"腦控"成為現(xiàn)實(shí)[EB/OL].http：//www.81.cn/jwgz/2015-05/21/content_6500284.htm，2015-5-21.

作者簡(jiǎn)介

王艷萌（1981-），女，工程師，主要從事雷達(dá)裝備計(jì)劃管理工作。