分布式腦電信號采集系統(tǒng)研究

朱嘉祺

（北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

腦電信號（Electroencephalogram），是一種使用電生理指標(biāo)記錄大腦活動的方法。腦電采集系統(tǒng)通過微電流傳感器捕捉大腦活動時產(chǎn)生的微電流變化和大腦電流的磁場變化[1]，再經(jīng)過專業(yè)的分析算法，將腦電波劃分為δ 波（0.1Hz ～4Hz）、θ 波（4Hz ～8Hz）、α 波（8Hz ～13Hz）、β 波（14Hz ～30Hz）等4 種電波[2]，最后通過對各種波形的分析，可以直觀反映大腦當(dāng)前的活躍狀態(tài)、健康程度等多項指標(biāo)。

現(xiàn)今，如何提高學(xué)習(xí)能力，及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，維持良好的大腦學(xué)習(xí)狀態(tài)成為很多學(xué)校、家長和學(xué)生關(guān)心的問題。然而，大多數(shù)學(xué)校和家長只能通過老師對孩子的日常觀察和學(xué)生考試成績這兩種方式來了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。由于這兩種方法存在主觀性強(qiáng)，影響因素過多，不能及時反饋等問題，因而通過腦電技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的研究與訓(xùn)練是幫助提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力與學(xué)習(xí)效率的最佳輔助手段。目前腦電采集還處在一對一的形式，且設(shè)備繁瑣不易攜帶，并不適用于學(xué)生課堂多人同時采集的情景，而本文所研究的分布式腦電采集系統(tǒng)可以同時采集多人腦電信號，并且通過無線方式匯總，很好地解決了這些問題。本系統(tǒng)還擁有同步儲存功能，可以允許用戶在采集過程之后再對腦電進(jìn)行整合與分析，更加方便老師對整體學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的分析，能夠精確地對每個學(xué)生進(jìn)行高效客觀的評價。

表1 單極32極分類準(zhǔn)確度比較Table 1 Comparison of single pole 32 pole classification accuracy

圖1 硬件系統(tǒng)模型Fig.1 Hardware system model

1 腦電信號采集設(shè)備

目前，專業(yè)領(lǐng)域研究腦電信號都是采用多極腦電設(shè)備，一般為40 通道。但是這種設(shè)備佩戴極其不便，使用環(huán)境苛刻，受電磁干擾嚴(yán)重，最重要的是戴上設(shè)備后會影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)。然而，單極設(shè)備小巧輕便，抗干擾能力強(qiáng)，且對學(xué)生學(xué)習(xí)影響很小[3]。本文所采用的單極腦機(jī)接口設(shè)備，由TGAM 芯片、額頭貼片電極、耳夾電極以及電源管理系統(tǒng)組成。TGAM 芯片可以分析電極采集的腦電信號，得到專注度、放松度以及8 個腦波的能量，分別是Delta、Theta、LowAlpha、HighAlpha、LowBeta、HighBeta、LowGamma 和MidGamma。

為驗證單極采集腦電信號的有效性，本文使用了DEAP 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了對比研究。DEAP 數(shù)據(jù)庫是一組公開的通過腦電信號進(jìn)行情感分析研究的數(shù)據(jù)集，因此利用其數(shù)據(jù)進(jìn)行單極和32 極分類準(zhǔn)確度比較。結(jié)果見表1，可見準(zhǔn)確度相差很小，從而證明了使用單極設(shè)備采集腦電信號是一種很有效的方式。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

腦電采集設(shè)備本身是使用藍(lán)牙進(jìn)行通信的，考慮到多人同時采集會出現(xiàn)藍(lán)牙干擾問題。因此，擬采用通過Wi-Fi 傳輸信號。但是，由于Wi-Fi 模塊距離人腦太近會有輻射問題，所以本系統(tǒng)采用了藍(lán)牙轉(zhuǎn)Wi-Fi 的模式進(jìn)行通信傳輸，由藍(lán)牙模塊接收腦電設(shè)備信號，再將信號傳給Wi-Fi 模塊，由Wi-Fi 模塊使用UDP 通信協(xié)議將信號發(fā)送至路由器，最終發(fā)送到PC 端。搭建模型如圖1 所示。

為使藍(lán)牙模塊和Wi-Fi 模塊能進(jìn)行通信，本文設(shè)計了一個連接器，連接器電路原理圖如圖2 所示。連接器將藍(lán)牙模塊的TX 接口與Wi-Fi 模塊的RX 接口相連，并提供5V 和3.3V 電源給這兩個模塊。

2.2 固件程序設(shè)計

圖2 連接器電路原理圖Fig.2 Connector circuit schematic

系統(tǒng)固件程序流程如下：設(shè)備初始化之后，藍(lán)牙模塊首先進(jìn)入配對流程，Wi-Fi 模塊進(jìn)入連接流程。藍(lán)牙模塊擁有自動回連功能，因此配對方式在首次上電之后可不用再設(shè)置。在藍(lán)牙模塊接受到信息之后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至Wi-Fi 模塊，Wi-Fi 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至UDP 網(wǎng)絡(luò)。最后，將Wi-Fi 模塊配置成開機(jī)透傳模式，即可實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)上電后直接向PC 發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計

上位機(jī)軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)將接收到的原始信號進(jìn)行拆包，提取需要的數(shù)據(jù)，并通過用戶界面顯示結(jié)果以及進(jìn)行數(shù)據(jù)保存[4,5]。

3.1 用戶軟件主程序設(shè)計

本軟件系統(tǒng)采用C#語言編寫，采用多頁面跳轉(zhuǎn)邏輯方式，調(diào)用多個經(jīng)典visualstudio 控件。用戶軟件主程序流程圖如圖3 所示。其中，program.cs 為軟件的主流程，控制整個軟件運(yùn)行。Form1.cs 為第1 張頁面的代碼塊，其中包含了UDP 連接與IP 地址選擇。Form2.cs 為主要顯示界面，其中包含了解碼、顯示、保存等重要模塊的代碼。Windows form control library.usercontrol.cs 為顯示模塊的控件庫代碼。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flow chart

具體工作原理為：程序打開時，系統(tǒng)會自動加載與編譯庫文件。程序首先打開用戶設(shè)置界面，使用戶選擇設(shè)備數(shù)與對應(yīng)IP 地址。當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)用戶輸入無誤后，系統(tǒng)會查詢本機(jī)的IP 地址并建立UDP 連接，隨之關(guān)閉設(shè)置界面，打開顯示界面，進(jìn)入顯示階段。在此階段，每當(dāng)UDP 接受到信息之后，系統(tǒng)則會調(diào)取接收線程，接收信息并更新顯示頁面，直至用戶關(guān)閉軟件。整個系統(tǒng)采用多線程運(yùn)行方式，這使得系統(tǒng)可以非堵塞式接受信息，減少由于網(wǎng)絡(luò)擁擠而導(dǎo)致丟包的現(xiàn)象，提升傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2 解碼模塊設(shè)計

為了保證信號在傳輸時的可靠性與有效性，系統(tǒng)采集模塊將采集到的腦電信號將信息，按照一定規(guī)律進(jìn)行編碼變成數(shù)據(jù)流。分布式腦電信號解碼模塊的作用則是將這些被數(shù)據(jù)流進(jìn)行拆分解碼，解碼模塊被包含在FORM2 的類定義之中。采集模塊大約每秒鐘發(fā)送513 個包，發(fā)送的包有小包和大包兩種：小包的格式AA AA 04 80 02 xxHigh xxLow xxCheckSum 前面的AAAA80 02 04 02 是不變的，后3 個字節(jié)是一直變化的，xxHigh 和xxLow 組成了原始數(shù)據(jù)rawdata，xxCheckSum 就是校驗和。一個小包就是一個原始數(shù)據(jù)，大約每秒鐘會有512 個原始數(shù)據(jù)。在大包中包含了專注度、放松度、信號強(qiáng)度以及8 個腦波能量，這幾個數(shù)據(jù)就是本系統(tǒng)所需要提取的有用數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)解碼模塊具體流程如圖4 所示。

圖4 解碼模塊流程圖Fig.4 Decoding module flow chart

3.3 用戶軟件界面設(shè)計

軟件系統(tǒng)為了可以更好地服務(wù)于用戶，必須包含一套邏輯鮮明的界面設(shè)計。本系統(tǒng)主要包含兩個界面，第1 個界面如圖5 所示。功能包括設(shè)備數(shù)量選擇，設(shè)備默認(rèn)IP 地址選擇兩個部分。在IP 地址選擇時，本系統(tǒng)給出了大多數(shù)可能使用到的地址，方便用戶直接選擇，同時為了滿足個別用戶的個性化需求，本系統(tǒng)還添加了自定義IP 地址欄，完善了不同的用戶需求。在用戶輸入完成時，程序會自動檢查用戶設(shè)置的參數(shù)。

第二個界面為主要顯示界面，顯示界面采用了標(biāo)簽頁的設(shè)計方式，使用戶可以在多個設(shè)備之間來回自由跳轉(zhuǎn)，同時為了滿足用戶同一時間觀察多個設(shè)備，本系統(tǒng)還增加了綜合頁面，將多個設(shè)備的主要信息同時顯示在一個頁面上。綜合頁面示意圖如圖6 所示。

圖5 用戶軟件選擇界面Fig.5 User software selection interface

圖6 用戶軟件顯示界面-綜合界面Fig.6 User software display interface-integrated interface

圖7 系統(tǒng)測試結(jié)果截圖Fig.7 Screenshot of system test results

表2 腦電信號分析結(jié)果Table 2 EEG signal analysis results

4 測試與結(jié)果

4.1 系統(tǒng)整體測試

選取4 名同學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)測試，4 名被試同學(xué)按要求戴上腦電儀，然后進(jìn)行小組討論。采集進(jìn)行5min 左右，觀察系統(tǒng)是否能采集到腦電信號以及正確顯示每名同學(xué)的專注度、放松度，并將每名同學(xué)的數(shù)據(jù)保存下來，以便進(jìn)行學(xué)習(xí)狀態(tài)分析。測試結(jié)果如圖7 所示。

4.2 結(jié)果分析

將保存得到的數(shù)據(jù)加以分析，最終通過計算4 名同學(xué)的專注度、興趣度，得出每名同學(xué)在分組討論中的學(xué)習(xí)狀態(tài)，結(jié)果見表2。可以看出，本分布式腦電采集系統(tǒng)，很好地實(shí)現(xiàn)了分布式采集的功能，填補(bǔ)目前多人腦電信號采集的空白。