39卷6期 2020年12月
中国生物医学工程学报
Chinese Journal of Biomedical Engineering
Vol. 39 No. 6
December 2020
贺庆“郝思聪1司娟宁1吴迎年2程杰1
穴北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100192)
2(北京信息科技大学自动化学院，北京100192)
摘要：脑机接口技术（BCI)可为人脑和外界建立一种全新的直接的交互方式，具有非常广阔的应用前景。脑电采集设备作为脑机接口采集信号的重要手段和途径，是其技术的关键和基础，已得到广泛关注。近年脑机接口研究呈爆炸式增长，各种脑电采集技术与应用不断涌现。未来，脑电采集设备在科
学、医疗、军事、生活等领域具有巨大的应用潜力。为理清目前脑电采集设备硬件系统的发展现状和发展方向，从基本组成结构、性能优化电路以及现有产品等方面进行剖析。归纳脑电采集设备的4个主要组成部分，进一步分类并讨论脑电采集设备性能优化方法；对比现有的主流产品的关键指标，探讨它们的功能特性；分析现有脑电采集设备的不足之处，并对其发展趋势进行展望。
关键词：脑机接口；脑电；采集设备；微弱信号
中图分类号：R318 文献标志码：A 文章编号：0258-8021(2020) 06-0747-13
Research Development of Electroencephalogram Acquisition Devicesaoi测试
for Brain Computer Interface
Abstract：Brain computer interface ( BCI) builds a novel and direct interactive mode between human brain and the outside, so that it has a very broad application prospects. Electroencephalogram ( E E G) acquisition d ev ice, as an important means and approach of signals acquisition for BCI, is the crit
ical point and foundation of the BCI technology and has received intensive attention. Owing to the explosive growth of the BCI research recently, various techniques of EEG acquisition spring up constantly. In the future, EEG acquisition devices will have huge application potential in the fields of science, m ed icin e, military and human life. In order to clarify the development status and development direction of EEG acquisition devices, this paper discussed basic s tru c tu r e, performance optimization circuit and existing EEG acquisition products. Firstly, four main components of EEG acquisition equipment were analyzed. The performance optimization method of EEG acquisition equipm ent was classified and sum m arized, the key indicators of the existing mainstream EEG products were co m p a re d, their functional characteristics were expounded. Finally, the shortcomings of the existing EEG acquisition equipm ent were analyzed and its future development tendency was prospected.
Key w ords： brain-computer interface( B C I) ; E E G；acquisition d e v ic e s；weak signal *
doi：10.3969/j.issn.0258-8021. 2020. 06.012
收稿日期：2019-丨2-05，录用H期：2020-05-09
基金项目：北京市教委科技计划一般项目（KM201911232019)；北京信息科技大学2020年人才培养
质董提高项目；2018年促进高校内涵发展“信息+ ”项目（51 1 1823311 )
* 通信作者（Corresponding author)，E-mail: bomb—82@ 163
文中彩图请见电子版（Please refer 丨o the online version for the color pictures in 丨his article)，website: (、
748中国生物医学工程学报39卷
引百
ipanel近年来，随着计算机技术、生物科学、电子信息、通信、现代信息学、神经科学等领域的不断突破，脑机接口（brain-computer interface，BCI)技术取 得了突飞猛进的发展[1]，而脑机接口技术研究的第一步就是将人脑活动信号以某种方式捕获下来。脑电（electroencephalogram，EEG)信号采集、近红夕卜光谱、脑磁图（magnetoencephalography，MEG)、功能 核磁共振成像（functional magnetic resonance imaging,fMRI)、正电子成像（positron emission tomography，PET)、激光散斑成像和光声成像等技术分别应用于脑信号获取i21。其中，m e g、p e t、fM m等生理测量方法对技术要求相对较高，设备价 格昂贵。另外，PET、fMRl、光学成像需要测量大脑活动时脑内血流量的变化，时间分辨率较低，往往 难以满足BC I快速实时响应的要求[3]。在上述各种技术中，脑电信号采集具有最高的
时间精度和最快速的响应，可以在日常环境下，实现各种实时性的应用，满足人们对脑控操作的实际需求。因此，脑电信号采集得到了越来越多的关注，被认为是最具未来潜力的脑信号捕捉技术，对于医疗、教育、游 戏、体育等各领域的发展有着极大的现实意义和应用价值。
1791年，意大利博洛尼亚大学（Bologna University )的解剖学教授加伐尼（G a l v a n i)观察到青 蛙外周神经和肌肉的带电现象，他将生物体内存在的微弱电势称为生物电，并创立了“动物电学说”。1875年，英国的生理科学家卡通（C a t o n)在猴脑和兔脑上第一次发现了脑电活动[4]。
脑电信号是高度相干状态下大量脑神经细胞的电活动在大脑皮层上的总体效应|5]。由于细胞膜具有半透性，在细胞兴奋时将引起离子的内外流通，势必产生一定程度的内外电位差。每个细胞产生的电位差会持续性地相互叠加，形成动作电位，从宏观角度看整个神经与肌肉的连续动作就构成了电序列，传到头皮表层引起人体表皮电位的微弱反应161，体现出某种节律和空间分布特征。脑电 信号通常为微弱的类正弦波，幅度介于〇.5 ~ 200 pV之间，因此脑电信号的采集需要高倍数的放大。当大脑受到外界刺激、进行思考或身体状态发生变化时，脑电波的频率和幅度都会发生变化。当受到外界刺激时，人脑在1s内会迅速做出反应，并 产生出复杂的脑电波信号。因此，脑电采集设备必须具有足够的精度和及时的响应能力。
脑电采集设备通常将若干个信号采集用电极分别固定在头皮或大脑皮层的相应位置上，通常采 用国际
脑电图学会在1958年规定的脑电记录统一 系统：10-20系统，如图1所示。这个系统逐渐发展 到今天也就变成了 64导或128导电极帽。
通过对电极馈人的微弱脑电原始信号进行高精度的测量，得到各点处脑电波变化曲线，从而可 以对大脑活动、身体状况、刺激感知等进行研究、分 析、处理和响应[78]。脑电极的布设方式有侵人式和非侵人式两种。侵人式获得的信号强度较大，干 扰较小，利于进行科学研究，但对使用者存在一定的健康风险；非侵人式对人体没有损伤，但是捕获 到的信号非常微弱，且易受环境电磁信号及其他生物电信号的干扰。
除了最前端的脑电极以外，脑机接口的整体效果从根本上受制于脑电采集设备硬件系统的性能。尽管在1846年就诞生了第一台生物电检测设备，但 直至1924年第一台脑电检测设备才由德国的精神病学家贝格尔（Berger)发明出来。在近一个世纪的 发展过程中，脑电采集设备实现了从笔描式到数字脑电采集信号的跨越[9]。随着电极工艺和微电子技术的快速更新，脑电采集设备得到了快速的发展，从而辅助科研人员更加准确而高效地了解脑电信号规律，研究大脑机理。未来，伴随着各种脑机应用需求爆炸式的增长，脑电采集设备必然成为研究的焦点。
文献[2]已经对脑电极进行了详细的分类和综述，文中不再赘述。下面对脑电采集设备硬件系统的研究现状和发展趋势进行综述，归纳脑电采集设
图1国际10-20系统[4]
Fig.l The international 10-20 system14
1碳纤维加热板
贺庆，等：面向脑机接口的脑电采集设备硬件系统综述749
6期
备的的基本结构，重点梳理并论述对脑电采集设备 进行优化的不同方法，对目前代表性的脑电采集设 备产品进行分类比较。最后列举该领域亟待解决 的关键问题，并展望脑电采集设备未来的发展前景。
1
脑
电
采3d录音
集
设
备
的
基
本
结
构
脑电采集设备是各种脑电应用、研究的数据来 源。作为一个精密的测试仪器，既要保证使用者的 安全性，又要保证系统的高精度、高共模抑制比
(common mode rejection ratio CMRR )，同时还要尽可
能多地降低系统的功耗、体积和成本n f 71。传统的 脑电采集设备通常包含以下几个主要组成部分：电 极导联接口、预处理电路，模数转换电路（ADC )、处 理器电路、存储模块、通信电路和电源模块。有的 设备为了特定的研究，还会增加一些扩展模块，如 采集其他信息的传感器等。各个模块间的连接关 系如图2所示。1.1导联
(b )
图3
电极导联示意U8]。（a )单极导联；（b )双极导联
Fig. 3 The diagram of the electrode lead 1'81. ( a )
电极导联接口负责将脑电极所捕获到的原始 信号馈人脑电采集设备。脑电通常带有上百毫伏 的直流偏移，这个信号比脑电信号本身高3个数量 级，会将脑电信号完全淹没。
由于脑电信号的提取是在强干扰的背景下进 行，所以前级导联通常采用差动输人的低噪声前置 放大器以提高共模抑制比。主要有3种导联方式： 单极导联、双极导联和平均导联。其中，单极导联 和双极导联的连接方式如图3所示。导联方式的选 择取决于所进行的研究目的，有各自的适用条件。
单极导联是将测量电极置于头皮上，通过导联 接口接至前置放大器的一个输人端。将参考电极 置于耳垂或乳突处，通过导联接口接至前置放大器 的另一个输人端。单极导联法的优点是能记录测 量电极处脑电位变化的绝对值，其波幅较高且较稳
U nipolar lead ； (b ) Bipolar lead
定，异常电位通常局限于有限区域，有利于病灶的 定位；其缺点是参考电极不能保持零电位，易混进 其他生物电干扰。例如，当振幅大的异常信号出现 于颞部时，耳垂电极由于靠近颞部而受其影响，这 样有可能记录到与颞部电位数值相近的异常 电位[l8i。
双极导联不使用参考电极，将头皮处两个测量 电极分别接人差动放大器的两端，记录两个电极的 脑电变化差值。由于干扰信号一般是以共模干扰 的形式存在，而高共模抑制比的放大前端采用差分 采集方式，可以有效抑制共模信号对脑电信号的干 扰，极大地提高系统的信噪比。但双极导联并不能 得到每个测量电极的绝对电位，不利于病灶定位。 如果双极导联的两个电极间距离在5 c m 以内，来自
展模块
脑电采集设备
图2脑电采集设备系统框图
Fig.2 The block diagram of the EEG acquisition
systems
750中国生物医学工程学报39卷
较大范围（距离大于5 cm)的大脑活动被两个电极同时捕获，结果电位差值互相抵消，记录的波幅较低，所以双极导联两电极的距离应在5 c m以上。
前述单极导联参考电平往往不能保持恒定电位，易混人其他生物电干扰。为了解决这个问题，可以将头皮上多个脑电极取平均以去除参考电极对E E G的影响，称之为平均参考电极C A R( Com m on average r e f e r e n c e)。将脑电测量电极和平均参考电极接人前置差动放大器的连接方式称为平均
导联[丨,]。
水晶面膜
对于参考电极的位置，有多种不同的连接方法，比如耳垂参考、乳突参考、额头参考、头顶参考等。电子科技大学的尧德中教授提出一种参考电极标准化技术（re feren ce elec tro d e stand ard iz atio n t e c h n i q u e, R E S T)，也就是零参考技术[2°、该方法 将头皮上一点或平均电位作为参考的数据，通过软 件计算转换为以空间无限远点为参考电极的数据。其物理依据是：转换前后的电位都是由脑内的实际神经活动源或它们的等效源所产生的，因此转换前后的电位可以通过共同的物理源联系起来。经脑 电图网络分析对比，证明R E S T方法是目前最接近客观实际的参考电极方法[21]。
1.2 预处理电路
信号经导联接口馈人后，便传入模拟通道。由于脑电信号极其微弱，系统在采集脑电的过程中载流导体会与参考地之间耦合其他信号，通常称为共模干扰。共模干扰产生的因素有很多，如市电电压造成的50 H z工频干扰、电流流过脑电电极时产生的10〜100 m V极化电压，以及因人体生理活动触发 的心电信号、眼电信号和肌电信号等U21。为了去除 干扰的影响便于采集，需要高增益、高共模抑制比、高阻抗地模拟前端及性能良好的滤波器。预处理通道的主要作用就是将脑电原始信号进行放大和滤波，它是决定脑电采集设备最终信号质M的关键 因素，因此是脑电采集电路部分的重点研究领域。预处理电路主要由滤波器、放大器、调零电路三者组成。
1.2.1滤波器
脑电采集设备常用到3种滤波器：高通滤波器、工频陷波器和低通滤波器。
位于最前端的是高通滤波器，其主要作用是隔离脑电位的直流分量。一般认为头皮脑电信号与认知任务相关的频率成分位于〇.5~ 100 Hz，高通滤 波器的起始频率一般设置在0.5H z左右。通常采用有源滤波器实现。有源滤波器的带通幅度和截止频率不会因负栽的不同而改变，同时还能够动态 补偿无功功率。
工频陷波器的主要作用就是滤除混杂在脑电信号中的50 H z工频噪声。传统陷波器设计中双T 结构的陷波应用最为普遍，但是此种陷波器有一个实际缺陷，就是对元器件的精度要求很高。为了达 到理想效果，要求电阻和电容的精度要达到〇. 1%, 这对目前的电容加工工艺来说是非常闲难的。当电阻或者电容受外界环境变化而变化时，此种陷波 器会变得非常不稳定。在文献[6]中，由芯片UAF42构成的积分型陷波器解决了这一问题。
低通滤波器的作用是滤除环境高频噪声干扰，主要是环境的无线电波、电源纹波以及有源器件本身带来的噪声等。集成滤波器芯片一般是基于运算跨导放大器和电容（OTA-C)模型设计的，具有根 据需要调整频带的特性[23]。
1.2.2放大器
相比于其他生物电信号（如心电、眼电、肌电），脑电信号更加微弱，因此对放大电路的要求也更高。脑电信源的内阻高、幅度低，且不同被试者或同一被试者的不同生理状态下脑电源阻抗会发生变化，因此需要配置高输人阻抗（大于10 M fl)、高 共模抑制比、低噪声、低直流漂移的高性能的放大器。脑电放大器的内部噪声实际上决定了脑电信号的最小分辨率，而放大器的噪声系数主要取决于前置级的噪声水平。目前脑电放大器前置级电路普 遍采用的是由O’Briem提出的同相并联结构的放大 电路。采用低漂移运算放大器和高性能仪用运放相 结合的方法，减小脑电放大器自身的直流漂移[1M。近年来，微电子技术发展迅速，德州仪器（Texas Instruments,TI)、BB(Burr-Brown Corporation),Linear (Linear Technology Corporation)等公司均推出 了同相 并联结构的三运放集成仪表放大器，其共模抑制比一 般在110 tlB以上，为设计脑电放大电路提供了方便。集成仪表运放技术在脑电放大电路中起着决定性作用。
1.2.3 调零电路
由于现有的模数转换芯片往往是单极性输入，因此电路进人A/D转换器之前需加一级电平迁移电路，即将脑电信号叠加在一个合适的直流电平上，使之符合A/D转换器的输人范围，称为调零电 路。为防止负电压加到A/D转换器的输入端而损坏器件，往往还需要在调零电路的输出端设置钳位
贺庆，等：面向脑机接口的脑电采集设备硬件系统综述751 6期
保护电路[~。
1.3模数转换电路
脑电采集设备对模数转换电路的要求非常苛刻。为了保证信号的完整性，得到更多的波形细节，多采用高分辨率ADC进行模数转换。现有设备 中，ADC的分辨率一般不低于16位。为了快速响应脑电信号的变化，描绘脑电信号细微的抖动，ADC 需要具有尽可能快的采样速率。现有脑电采集设备的ADC采样率一般在几kH z到几十kH z之间。为了保证采集信号的质量，ADC —般选择噪声小，输人阻抗大的器件。
1.4处理器模块
ctsb
根据功能和应用的不同，有的脑电采集设备需要处理器运行信号处理算法，这种设备的处理器电路通常由高运算能力的DSP(digital signal processor)、FPGA(field programmable gate array)或 微型计算机实现[24]。处理器将处理后的数据通过通信接口发送给上位机，或者直接输出到显示屏显示，或者直接控制某些受控设备如机械臂，机器人 等执行人脑所想的动作。而有的脑电设备只需要处理器执行控制指令，将采集到的脑电信号数据通过通信电路发送给上位机，由上位机运行脑电信号处理算法，这种设备的处理器电路通常由ARM芯 片实现。为了便于过程中的数据管理，通常脑电采 集设备会设有存储模块，根据应用的不同，存储空 间大小各异。
脑电信号处理算法是脑电研究的热点，主要包 括信号质量提升、特征提取、信号分类、脑电信号解 析等方面[2527]。脑电信号采集之后的数据处理部分，在本文中不做过多阐述。
采集得到的脑电信号，根据应用需求，通过通 信电路将数据传递到电脑或受控设备上，完成脑电 采集的功能。常用的通信连接方式有有线、无线和 光纤等[28)。
此外，为了完成某些特殊的研究，某些脑电设备还会附带一些额外的扩展模块，下面将列举其中有代表性的设计。
2电路系统性能优化
2.1信噪比提高
由于脑电信号极其微弱，且受到各种外界因素的干扰[29\为了达到良好的检测效果，需要采取有效措施，尽最大可能避开各种干扰源，如选用性能良好的电极、导线以及高效的导电膏；采集设备采用电池供电方式；要求受试者自然放松，尽量减少和避免眨眼、转动眼球、吞咽、四肢运动等；提高设备的屏蔽性，或在屏蔽效果好的屏蔽室内采集信号等。除此之外，在设备设计方面，也有不少提高信噪比的方法得到应用。
2.1.1 基线复零电路
脑电信号往往带有较大的直流成分，严重时甚至会使后级放大器饱和。因此很多脑电设备中，在 前级增加了脑电基线复零电路。基线复零电路的实现方法有模拟和数字两种。模拟方法采用比较器和三级管实现自动钳位功能通过直流分压电路，设定脑电信号所允许的上下限范围，当脑 电信号摆动超过所设定的阈值，则会打开相应的三极管，将信号强行拉至0电位处。模拟方法结构简单，不需编程便可以自动实现。但是只有信号超过阈值时才起作用，对信号有断崖式改变。数字方法通过处理器运行一定的算法控制高精度低噪声数模转换器（DAC)输出与基线电压相等的补偿信号，再将补偿信号反向叠加到脑电信号上，反向抵消电极和头皮之间耦合出的直流电平，实现基线复零[31_32]。数字方法需要处理器和DAC之间的配合，并需编程实现一定的算法，但其对信号影响较小。2.1. 2头皮与电极接触检测
电极与头皮接触的好坏，影响着接触阻抗的大小。接触阻抗越小，引人交流干扰越小，得到波形质量越好，一般情况下接触阻抗应当小于10 k fl。之前判断电极与头皮的接触好坏都是通过工作人员的仔细观察和经验[33]，一方面效率低、不可靠，另 一方面容易误判，容易导致导联间输人阻抗不平衡而引入差模干扰。因此近年来，脑电采集设备增加了头皮与电极接触检测电路（以下简称“接触电路”）。
接触电路的设计思路是采用电流型的激励源，依次注人需检测的导联，然后对信号进行差分放大，并滤除干扰。再利用相位补偿后的另一路激励信号进行相关解调，将解调后的信号与设定的阈值相比较，
可以判断电极是否与头皮接触良好。
2. 1.3 右腿驱动电路
和屏蔽层驱动电路一样，右腿驱动电路的主要作用是减小共模干扰，提高系统信噪比。右腿驱动电路的一般设计思路是：将各通道脑电信号的共模信号统一叠加起来，接人一个反相射随器，经反相的信号会被反馈到被测者身体上，形成共模信号的负反馈回路，以减小人体耦合的工频干扰，提高系
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