近年來，在國外航空、航天領域中，腦機接口技術對于飛行人員的疲勞監(jiān)控起到了良好的作用。另外，在射箭運動領域，肌肉與力量并非獲勝的首要因素，能夠保證良好的定力與注意力是制勝的關鍵。在美國、韓國和歐洲的一些國家，專業(yè)射箭運動員使用腦機接口技術來訓練大腦的集中度，該技術可以幫助運動員提高訓練成績。除此之外，腦機接口技術在娛樂、教育、健康等領域具有廣闊的發(fā)展前景。因此該技術成為了目前國內(nèi)外的研究熱點。
    腦機接口是一種可以在人腦與外部設備之間建立信息交互的系統(tǒng)。它將腦部發(fā)出的信息收集起來，經(jīng)過一系列的處理后來控制外部設備。目前臨床上采用的腦電記錄電極是銀-氯化銀濕電極，這種濕電極中的凝膠對皮膚具有一定的傷害，尤其是過敏性皮膚的人群。為此，本文提出的便攜式腦電采集器利用干電極腦電采集技術進行腦波采集。干電極腦電采集技術采用超高輸入阻抗放大器以及光電傳感等技術，從而使腦電采集擺脫了對導電介質的依賴性，并且這種新型腦電采集技術采用無線通信技術，具有使用方便、不易受環(huán)境制約等特點。
1 腦機接口技術機理
    大腦中有數(shù)以百億計的神經(jīng)元，腦神經(jīng)信號是與大腦相關聯(lián)的生物信號，每個神經(jīng)元都可以產(chǎn)生微小的電場，腦波是許多微小信號的集合。腦波通常從頻域方面描述，受外部刺激和內(nèi)在精神狀態(tài)的影響，腦波的頻域、幅度變化很大。其中Delta、Theta、Alpha、Beta 和Gamma波是不同頻率腦波的名稱，它們與表1中描述的許多大腦狀態(tài)有關。基于上述機理，利用干電極腦電傳感器采集到原始腦電信號，通過信號處理技術把信號從時間域轉換到頻域，然后按照頻率分離出Delta、Theta、Alpha、Beta 和Gamma 5種腦波，這樣就可以觀察到腦波頻率的分布，由此可利用這些腦波判定測試者的精神狀態(tài)。

2 便攜式腦電采集器設計
    便攜式腦電采集器的應用特點要求盡量地減少其體積和重量。該設備要由電池供電，并且本身的電子元器件較多，因此，要設計一個輕巧、便攜的腦電采集設備，既能實現(xiàn)多項功能，又要減小體積、重量，在技術上有一定難度。考慮到以上因素，便攜式腦電采集器的殼體采用電路板材料，將部分電路布設在作為殼體存在的電路板上，從而減少了總體設備體積。
2.1 機械及電路設計
    精準的殼體裝配尺寸對電路設計有很高的要求，為了解決這一問題，便攜式腦電采集器在設計過程中首先利用 CATIA V5軟件進行三維CAD機械設計，在CATIA V5軟件中完成殼體的三維模擬裝配。其次，將CATIA V5生成的殼體圖紙導入Altium Designer電路設計軟件中，完成電路設計。該方法有效降低了電路設計中繪制殼體精準尺寸的設計難度，充分發(fā)揮了CATIA V5和Altium Designer軟件的特長，使整個電路設計一次完成，降低了開發(fā)成本，縮短了研制周期。便攜式腦電采集器內(nèi)部集成了C8051F020微型控制單元， C8051F020主要負責原始腦電信號的預處理。內(nèi)部由鋰電池供電，電池容量為500 mAh，可保障設備連續(xù)工作10 h以上。
2.2 藍牙通信模塊設計
    將電子元器件焊接到電路板上后，得到腦電采集電路，該電路負責原始腦電信號的采集。采集到的原始腦電信號由藍牙通信電路無線傳輸給上位機，為后續(xù)信號處理做準備。藍牙通信電路的核心是HC-07。HC-07是串口與藍牙雙向轉化模塊，可將其RXD管腳收到的RS232信號轉換為藍牙信號傳輸出去，同時也可將藍牙接收到的信號轉換為RS232信號由其TXD管腳輸出給外部設備，其通信電路如圖1所示。

2.3 提高信噪比設計
    由于腦電信號十分微弱，易受到公頻噪聲的干擾，為提高信噪比，采用屏蔽線設計。設備使用時，作用電極應接觸于人的前額位置。另外，在耳夾內(nèi)側有兩個鍍銀電極，分別稱為參考電極和接地電極，圖2中的耳夾應夾到使用者左耳或右耳的耳垂位置，并使耳夾內(nèi)接地電極、參考電極與耳垂處皮膚充分接觸。利用作用電極、接地電極和參考電極來檢測原始腦電信號的設計，主要考慮到以下因素。

    便攜式腦電采集器檢測的是人體致密頭骨中思維活動產(chǎn)生的生物電，即腦電信號。該信號經(jīng)過致密的頭骨傳遞到頭部皮膚表面時，經(jīng)過衰減，信號非常微弱。而且腦電信號的頻率在100 Hz以下，這個頻段易受到50 Hz公頻噪聲的影響。為了解決這樣的問題，在硬件設計時，采用了三電極的結構，即采集腦電信號時，同時使用作用電極、參考電極和接地電極。這樣便攜式腦電采集器內(nèi)部電路測量作用電極與接地電極之間的電壓，以及參考電極與接地電極之間的電壓，然后將兩值相減，得到作用電極與參考電極之間的電壓，即可排除使用者身上聚集的靜電荷與來自公頻（50 Hz）的干擾。
2.4 上位機程序設計
    上位機程序流程圖如圖3所示。

      上位機程序由VC軟件開發(fā)，在該界面中可以繪制出佩戴便攜式腦電采集器的使用者腦波中的Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma信號，而且由這些信號曲線可得到注意力集中度和冥思度曲線。
      上位機程序具有便攜式腦電采集器連接情況的檢測功能。如圖4所示，當兩個便攜式腦電采集器未連接時，軟件界面中右上角的poor_signal曲線始終等于200。poor_signal是原始腦電信號信噪比的反映，poor_signal的取值范圍是0～255。poor_signal曲線值越大，表明干擾越大。只有當兩個poor_signal曲線值均為0時，左側其他數(shù)據(jù)才是可信的，否則其他數(shù)據(jù)被強行置0。要查看各面板曲線上的點對應的數(shù)值，只需將鼠標指向對應位置即可。

    當硬件與人體接觸良好(poor_signal=0)時，左側數(shù)據(jù)有效，如圖5所示。軟件中Attention curve、Meditation curve的域值在0～100之間，porrsignal curve在0～255之間不變，其他8個面板的數(shù)據(jù)縱坐標最大值可調。

    本文通過對腦波信號機理進行研究，設計出了便攜式腦電采集器。在設計中考慮到各方面的因素，如便攜性、抗噪性等，同時又設計出相應的顯示軟件。利用所研制的便攜式腦電采集器對測試者的腦波進行采集、分析和處理，通過藍牙模塊將收集到的腦電信號傳遞到計算機，在計算機中利用所編制的上位機軟件將腦電波的波形可視化。本研究成果是我國腦機接口技術向實用性轉化過程中最關鍵的一步。
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