近年来，在国外航空、航天领域中，脑机接口技术对于飞行人员的疲劳监控起到了良好的作用。另外，在射箭运动领域，肌肉与力量并非获胜的首要因素，能够保证良好的定力与注意力是制胜的关键。在美国、韩国和欧洲的一些国家，专业射箭运动员使用脑机接口技术来训练大脑的集中度，该技术可以帮助运动员提高训练成绩。除此之外，脑机接口技术在娱乐、教育、健康等领域具有广阔的发展前景。因此该技术成为了目前国内外的研究热点。
    脑机接口是一种可以在人脑与外部设备之间建立信息交互的系统。它将脑部发出的信息收集起来，经过一系列的处理后来控制外部设备。目前临床上采用的脑电记录电极是银-氯化银湿电极，这种湿电极中的凝胶对皮肤具有一定的伤害，尤其是过敏性皮肤的人群。为此，本文提出的便携式脑电采集器利用干电极脑电采集技术进行脑波采集。干电极脑电采集技术采用超高输入阻抗放大器以及光电传感等技术，从而使脑电采集摆脱了对导电介质的依赖性，并且这种新型脑电采集技术采用无线通信技术，具有使用方便、不易受环境制约等特点。
1 脑机接口技术机理
    大脑中有数以百亿计的神经元，脑神经信号是与大脑相关联的生物信号，每个神经元都可以产生微小的电场，脑波是许多微小信号的集合。脑波通常从频域方面描述，受外部刺激和内在精神状态的影响，脑波的频域、幅度变化很大。其中Delta、Theta、Alpha、Beta 和Gamma波是不同频率脑波的名称，它们与表1中描述的许多大脑状态有关。基于上述机理，利用干电极脑电传感器采集到原始脑电信号，通过信号处理技术把信号从时间域转换到频域，然后按照频率分离出Delta、Theta、Alpha、Beta 和Gamma 5种脑波，这样就可以观察到脑波频率的分布，由此可利用这些脑波判定测试者的精神状态。

2 便携式脑电采集器设计
    便携式脑电采集器的应用特点要求尽量地减少其体积和重量。该设备要由电池供电，并且本身的电子元器件较多，因此，要设计一个轻巧、便携的脑电采集设备，既能实现多项功能，又要减小体积、重量，在技术上有一定难度。考虑到以上因素，便携式脑电采集器的壳体采用电路板材料，将部分电路布设在作为壳体存在的电路板上，从而减少了总体设备体积。
2.1 机械及电路设计
    精准的壳体装配尺寸对电路设计有很高的要求，为了解决这一问题，便携式脑电采集器在设计过程中首先利用 CATIA V5软件进行三维CAD机械设计，在CATIA V5软件中完成壳体的三维模拟装配。其次，将CATIA V5生成的壳体图纸导入Altium Designer电路设计软件中，完成电路设计。该方法有效降低了电路设计中绘制壳体精准尺寸的设计难度，充分发挥了CATIA V5和Altium Designer软件的特长，使整个电路设计一次完成，降低了开发成本，缩短了研制周期。便携式脑电采集器内部集成了C8051F020微型控制单元， C8051F020主要负责原始脑电信号的预处理。内部由锂电池供电，电池容量为500 mAh，可保障设备连续工作10 h以上。
2.2 蓝牙通信模块设计
    将电子元器件焊接到电路板上后，得到脑电采集电路，该电路负责原始脑电信号的采集。采集到的原始脑电信号由蓝牙通信电路无线传输给上位机，为后续信号处理做准备。蓝牙通信电路的核心是HC-07。HC-07是串口与蓝牙双向转化模块，可将其RXD管脚收到的RS232信号转换为蓝牙信号传输出去，同时也可将蓝牙接收到的信号转换为RS232信号由其TXD管脚输出给外部设备，其通信电路如图1所示。

2.3 提高信噪比设计
    由于脑电信号十分微弱，易受到公频噪声的干扰，为提高信噪比，采用屏蔽线设计。设备使用时，作用电极应接触于人的前额位置。另外，在耳夹内侧有两个镀银电极，分别称为参考电极和接地电极，图2中的耳夹应夹到使用者左耳或右耳的耳垂位置，并使耳夹内接地电极、参考电极与耳垂处皮肤充分接触。利用作用电极、接地电极和参考电极来检测原始脑电信号的设计，主要考虑到以下因素。

    便携式脑电采集器检测的是人体致密头骨中思维活动产生的生物电，即脑电信号。该信号经过致密的头骨传递到头部皮肤表面时，经过衰减，信号非常微弱。而且脑电信号的频率在100 Hz以下，这个频段易受到50 Hz公频噪声的影响。为了解决这样的问题，在硬件设计时，采用了三电极的结构，即采集脑电信号时，同时使用作用电极、参考电极和接地电极。这样便携式脑电采集器内部电路测量作用电极与接地电极之间的电压，以及参考电极与接地电极之间的电压，然后将两值相减，得到作用电极与参考电极之间的电压，即可排除使用者身上聚集的静电荷与来自公频（50 Hz）的干扰。
2.4 上位机程序设计
    上位机程序流程图如图3所示。

      上位机程序由VC软件开发，在该界面中可以绘制出佩戴便携式脑电采集器的使用者脑波中的Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma信号，而且由这些信号曲线可得到注意力集中度和冥思度曲线。
      上位机程序具有便携式脑电采集器连接情况的检测功能。如图4所示，当两个便携式脑电采集器未连接时，软件界面中右上角的poor_signal曲线始终等于200。poor_signal是原始脑电信号信噪比的反映，poor_signal的取值范围是0～255。poor_signal曲线值越大，表明干扰越大。只有当两个poor_signal曲线值均为0时，左侧其他数据才是可信的，否则其他数据被强行置0。要查看各面板曲线上的点对应的数值，只需将鼠标指向对应位置即可。

    当硬件与人体接触良好(poor_signal=0)时，左侧数据有效，如图5所示。软件中Attention curve、Meditation curve的域值在0～100之间，porrsignal curve在0～255之间不变，其他8个面板的数据纵坐标最大值可调。

    本文通过对脑波信号机理进行研究，设计出了便携式脑电采集器。在设计中考虑到各方面的因素，如便携性、抗噪性等，同时又设计出相应的显示软件。利用所研制的便携式脑电采集器对测试者的脑波进行采集、分析和处理，通过蓝牙模块将收集到的脑电信号传递到计算机，在计算机中利用所编制的上位机软件将脑电波的波形可视化。本研究成果是我国脑机接口技术向实用性转化过程中最关键的一步。
参考文献
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