腦電信號處理系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展

摘 要：腦電信號處理系統(tǒng)是腦電圖機不可或缺的一部分，同時它也準(zhǔn)確提取腦電信號的特征信息的關(guān)鍵部分。腦電信號雖然有較強的抗干擾能力和較高的精準(zhǔn)度，但是其采集原理十分復(fù)雜，所以在當(dāng)今的科學(xué)領(lǐng)域尤其是醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，腦電信號的采集越來越引起人們的重視。本文首先介紹了腦電采集的相關(guān)技術(shù)，然后介紹了國內(nèi)外腦電采集系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，最后分析了腦電信號處理系統(tǒng)將來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：腦電信號；腦電采集系統(tǒng)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.245

1 引言

人類大腦的活動是一種十分復(fù)雜的生物活動，大腦內(nèi)部的每個區(qū)域都是相互獨立的，但又彼此緊密聯(lián)系著，就是說大腦各個區(qū)域可以單獨完成某一個復(fù)雜的思維活動，同時又可以相互協(xié)同的完成某個意念想象。然而，腦電信號與空氣中的各種電纜線干擾比較來說，其幅值和強度都非常弱，并且腦電信號的信噪比非常低，原始的腦電信號就如白噪聲干擾波一樣，呈現(xiàn)出來的是一些雜亂無章的抖動，用肉眼幾乎分辨不出來。腦電圖（Electroencephalogram，EEG）信號是人體大腦皮層或頭皮表面大腦神經(jīng)元點活動的一個總體反應(yīng)，而大腦的活動是由上百億個神經(jīng)細胞完成的。如果能夠?qū)θ梭w大腦進行充分的研究，將有助于認識大腦，開發(fā)大腦，利用大腦，并將腦研究利用到工程技術(shù)領(lǐng)域，以為為人類造福。如果將鬧研究應(yīng)用到醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域，比如對腦功能進行檢測，能夠及早發(fā)現(xiàn)還未引起結(jié)構(gòu)病變的一些病癥。

人類首次記錄腦電信號是由德國科學(xué)家1929年實現(xiàn)的[1]。之后，人類就從未停止過對腦電信號的研究探索，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們認識到了腦電信號的巨大應(yīng)用前景。最初研究腦電信號時，信號采集和分析的技術(shù)有限，人們只能通過目視分析采集到的腦電信號，而腦電信號非常不穩(wěn)定而且還很微弱，僅僅通過目視分析很難從復(fù)雜的腦電信號中提取到有意義的信號[2]。進入二十一世紀(jì)之后，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，腦電信號的采集和分析越來越精確，現(xiàn)如今的醫(yī)療器械中大多都用了單片機作為中央控制單元，因而使腦電采集分析系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定和精確。

2 腦電采集技術(shù)

傳統(tǒng)的腦電圖機組成部分包括輸入、放大、調(diào)節(jié)、記錄等[3]。其中輸入部分主要完成腦電圖機與大腦的連接；放大部分完成對微弱的腦電信號進行放大；調(diào)節(jié)部分完成腦電信號的濾波；記錄部分實現(xiàn)腦電波的繪制。

發(fā)展到目前為止，對人體腦電信號的采集主要有三種方法[4]：

2.1 正電子發(fā)射斷層掃描（PET）

正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)的工作原理是通過檢查高能光子—該高能光子由核素中正負電子碰撞產(chǎn)生的，從而得到核素在人體組織截面上不同濃度的分布情況，由于組織的代謝過程有核素的參與，所以PET實質(zhì)上是對組織代謝過程的檢測。PET的時間分辨率為10秒左右，空間分辨率為5～1毫米。由于PET對人體進行掃描時核素會對人體產(chǎn)生放射損傷，所以PET是一種有損傷的檢測方法。

2.2 核磁共振（MRI）

MRI 技術(shù)的工作原理是利用人體血液中脫氧血紅蛋白的順磁性和血紅蛋白的抗磁性，當(dāng)人體大腦神經(jīng)細胞有動作時，相對應(yīng)的大腦區(qū)域供血流量就會發(fā)生變化，與此同時該區(qū)域的磁化率就會發(fā)生變化，從而我們可以得到區(qū)域大腦神經(jīng)元的活動情況。利用該方法我們可以得到腦結(jié)構(gòu)解剖學(xué)和形態(tài)學(xué)兩方面的信息。它具有較高的時間分辨率（0.1～1秒）和空間分辨率（1毫米左右），由于MRI的強磁場，也會對人體造成損傷。

2.3 臨床腦電圖（EEG）

該技術(shù)是利用電磁學(xué)原理得到腦電成像圖，它是通過測量大腦神經(jīng)元活動過程中產(chǎn)生的磁場、電場，通過分析得到的信號，判斷神經(jīng)活動正常與否，同時它也可以提供活動神經(jīng)元的活動強度和活動位置等信息。ECG的空間分辨率比較低，但是時間分辨率非常高（1毫秒左右），它還可以與反應(yīng)時間配合做實驗，研究人體認知加工過程的規(guī)律，同時它可以得到人體腦內(nèi)活動的動態(tài)變化，最重要的是它是一種對人體沒有任何損傷的檢測技術(shù)。

在學(xué)術(shù)研究范圍內(nèi)，ERP被劃分為心理生理學(xué)（psychophysiology）范疇，是該范疇中的認知神經(jīng)科學(xué)，并將自變量設(shè)為心理因素，將因變量設(shè)為生理指標(biāo)，一般把人體作為被測試對象。其中認知神經(jīng)科學(xué)以研究認知過程神經(jīng)機制為側(cè)重點。ERP在認知神經(jīng)科學(xué)的研究中具有顯著的優(yōu)勢，比如具有很高的時間分辨率，并且128導(dǎo)聯(lián)的EEG檢測具有3毫米的空間分辨率，這些數(shù)據(jù)足夠證明ERP可以用于認知神經(jīng)科學(xué)研究，其中ERP的實時性在認知神經(jīng)科學(xué)中具有非常的重要性。

3 腦電采集系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

十九世紀(jì)八十年代，英國外科醫(yī)生卡頓利用電極記錄了猴子腦內(nèi)的電活動現(xiàn)象，這是人類第一次記錄腦電活動以此檢測腦電工作情況[5]。直到二十世紀(jì)，德國醫(yī)學(xué)家用針狀電極記錄了人類大腦的電流活動，將其記錄方法命名為腦電圖記錄術(shù)，從此開啟了腦電圖的臨床應(yīng)用[6]。二十世紀(jì)三十年代，隨著模擬電子技術(shù)的發(fā)展，發(fā)明了基于電子管技術(shù)的腦電采集系統(tǒng)。到五十年代，腦電信號的研究又應(yīng)用了電子計算機技術(shù)。到七十年代，利用共模技術(shù)和集成電路技術(shù)大大縮小了腦電采集系統(tǒng)的體積，同時還加強了腦電采集系統(tǒng)的性能，從此腦電采集系統(tǒng)發(fā)展到了一個嶄新的階段。

到目前為止，腦電信號處理系統(tǒng)的設(shè)備廠商有德國的Brain Products公司，美國的Neuro Scan公司和美國的EGI公司。其中美國的Neuro Scan公司發(fā)明腦電信號采集系統(tǒng)產(chǎn)品是利用全球領(lǐng)先技術(shù)研發(fā)出來的高性能產(chǎn)品，以其新產(chǎn)品SynAmps2來說：它具有2個高等級通道，4個雙電極接口和64個單電極接口共70個通道的腦電信號放大系統(tǒng)；其中每個通道都有一個24位的高質(zhì)量A/D轉(zhuǎn)換芯片，這樣就充分保證了采樣精度；同時它還利用主動噪音控制技術(shù)，抑制了噪音對大腦信號的干擾。當(dāng)然這些產(chǎn)品也存在很多缺點，以美國Neuro Scan公司的產(chǎn)品舉例來說：在信號的處理方面，不能將各個導(dǎo)聯(lián)采集到的信號數(shù)據(jù)進行疊加，從而導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)在信號處理過程中丟失，制約了研究工作的發(fā)展；在去除偽跡方面，基本不能達到自動去除偽跡，而要手動一步一步的完成，并且去除偽跡的方法較少，沒法比較各個方法之間的差異，也沒有獨立的接口用于編寫偽跡除去算法；在測量數(shù)據(jù)方面，不能測量波形的峰—峰值，整體兼容性（例如與其他信號分析軟件和統(tǒng)計軟件連接）不好，軟

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件自身缺乏方差分析等基本的統(tǒng)計系統(tǒng)，而只有簡單的一個檢驗程序；不具有模塊的設(shè)計方案，檢修起來十分不便；整體的性能不能滿足臨床上的所有需要；價格十分昂貴，體積重量都較大。

而在國內(nèi)，腦電信號采集系統(tǒng)的研究工作起步較晚，但總的發(fā)展趨勢在不斷前進。在我國臨床上應(yīng)用的腦電圖機的種類也是紛繁復(fù)雜，包括：筆描腦電圖機、數(shù)字腦電圖機、實時動態(tài)監(jiān)測的腦電圖機和高導(dǎo)聯(lián)的腦電圖機。但是這些腦電圖機與國外廠家生產(chǎn)的腦電圖機相比，在可靠性上和性能方面都具有一定的差距，因此我國需要投入大量的

時間和金錢趕超國外的腦電采集產(chǎn)品。

4 腦電信號處理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

近幾年，隨著醫(yī)療技術(shù)和人們健康意識的不斷提高，醫(yī)療事業(yè)也由原來的治療為主轉(zhuǎn)為現(xiàn)在的預(yù)防為主，這就促使腦電檢測越來越重要。至今為止，臨床腦電檢測已經(jīng)有50多年的歷史，它的發(fā)展?jié)摿ξ阌怪靡桑F(xiàn)在人們越來越關(guān)注腦功能方面的研究，尤其在國外這方面的發(fā)展非常迅速，使它應(yīng)經(jīng)成為一個嶄新的研究領(lǐng)域。那么，腦電信號處理系統(tǒng)作為腦電檢查的關(guān)鍵系統(tǒng)，不斷探索研究腦信號處理系統(tǒng)的技術(shù)，將為探索人類的思維活動和認知活動等腦功能開辟新的天地。腦電信號處理系統(tǒng)的發(fā)展將造福人類未來生活的方方面面，相信隨著腦信號處理系統(tǒng)的發(fā)展和完善，人類總將會揭示大腦的奧秘！

參考文獻：

[1]佟安時.思維腦電的采集和特征提取方法初探[D].東北大學(xué)，2010.

[2]侯俊欽.基于FPGA的腦電信號采集系統(tǒng)的設(shè)計[D].安徽大學(xué)，2007.

[3]劉曉燕.臨床腦電圖學(xué)[S].北京：人民衛(wèi)生出版社，2006.

[4]齊份揚.醫(yī)學(xué)儀器[M].北京：高等教育出版社，1990.

[5]陳雅楠，楊德武.腦電圖機的進展[J].中國醫(yī)學(xué)裝備， 2009，6（07）：64-65.

[6] Gao S， Wang Y， Gao X， Hong B. Visual and Auditory Brain–Computer Interfaces[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2014，61（05）：1436-47.

作者簡介：鄭婷婷（1988-），女，新疆人，碩士研究生，研究方向：生物醫(yī)學(xué)信號的檢測分析。