基于腦電波的人機(jī)交互研究

淺談基于腦電波的交互技術(shù)2014-2015學(xué)年第一學(xué)期《人機(jī)交互的軟件工程方法》課程大作業(yè)學(xué)生姓名張坤學(xué)號(hào)5011212408所屬學(xué)院信息工程學(xué)院班級(jí)計(jì)算機(jī)16-4班授課教師勞東青塔里木大學(xué)教務(wù)處制

淺談基于腦電波的交互技術(shù)摘要人機(jī)交互是指人和機(jī)器設(shè)備之間進(jìn)行的信息傳遞與交流活動(dòng)，人機(jī)交互領(lǐng)域的主要研究工作為如何使得人和機(jī)器設(shè)備之間具備方便快捷的交流方式。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人機(jī)交互技術(shù)的研究越來(lái)越受到人們的重視。許多新型的設(shè)計(jì)思想不斷地被提出和實(shí)現(xiàn)，其中，不依賴人體四肢等常規(guī)方式對(duì)外界設(shè)備進(jìn)行控制的腦機(jī)接口技術(shù)對(duì)未來(lái)社會(huì)生活和生產(chǎn)活動(dòng)具有重要的研究意義，相關(guān)應(yīng)用前景十分廣闊。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于腦電α波節(jié)律阻斷現(xiàn)象控制外部設(shè)備的人機(jī)交互控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:人機(jī)交互；腦機(jī)接口；α波

目錄緒論 淺談基于腦電波的交互技術(shù)緒論隨著科技的不斷進(jìn)步，人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)活動(dòng)越來(lái)越依賴各種先進(jìn)復(fù)雜的機(jī)器設(shè)備。如何高效便捷地使用各種機(jī)器設(shè)備對(duì)于提高生產(chǎn)力顯得尤為重要。其中，人機(jī)交互技術(shù)作為一種新型的設(shè)備控制技術(shù)在己經(jīng)越來(lái)越得到廣泛運(yùn)用。從普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)到大型機(jī)器設(shè)備，人機(jī)交互技術(shù)使得機(jī)器設(shè)備的使用效率得到提高。同時(shí)，人對(duì)設(shè)備的操作能力也在得到不斷的擴(kuò)展，很多人體行為特征可以通過(guò)人機(jī)交互技術(shù)擴(kuò)展為信息輸出通道，給用戶帶來(lái)極大的便利，人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展極大地提高了和改變了社會(huì)生產(chǎn)方式。1、神奇的電信號(hào)——腦電波自古以來(lái)，人類夢(mèng)寐以求洞察自身機(jī)能，自主調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)部功能。人類發(fā)現(xiàn)，要通過(guò)人體自身的心理活動(dòng)控制相關(guān)的生理過(guò)程，必須能取得體內(nèi)機(jī)能活動(dòng)的準(zhǔn)確信息，而且要有具備改變有關(guān)信息的心理指導(dǎo)。有四種腦電波，四種基本腦波是：δ波（DELTA/δwave），θ波（THETA/θwave），α波（ALPHA/αwave）和β波（BETA/βwave）。這四種腦波構(gòu)成腦電圖（EEG）。腦電圖是腦內(nèi)電波的顯示，但腦內(nèi)電波的電壓很小，只有百萬(wàn)分之幾伏特。阿爾法腦波的振蕩平均為10次/秒。在腦波中阿爾法腦波是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的。1908年奧地利醫(yī)學(xué)家漢斯·伯格博士第一個(gè)提出發(fā)現(xiàn)，并稱之為阿爾法波（ALPHA），因?yàn)樵谙ＥD字母的排序中ALPHA排在第一個(gè)，與英文字母A相同。近百年來(lái)，無(wú)數(shù)的科學(xué)家花費(fèi)了大量的時(shí)間用于研究阿爾法腦波，因此關(guān)于阿爾法腦波的基礎(chǔ)研究的知識(shí)和結(jié)論積累豐富。1.1腦電波的作用通過(guò)生物反饋可以實(shí)現(xiàn)機(jī)體自我認(rèn)識(shí)與自主調(diào)整，把控制焦點(diǎn)從依賴外界環(huán)境轉(zhuǎn)移到內(nèi)部自覺(jué)掌握?？沙晒Φ貙?duì)體內(nèi)某一系統(tǒng)、器官、神經(jīng)組織，甚至單個(gè)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)自主控制，以充分開(kāi)發(fā)身體，高效運(yùn)行體內(nèi)機(jī)能。當(dāng)代三分之二以上的人類疾病均可歸根到生活過(guò)度緊張，思想憂慮引起。用生物反饋技術(shù)訓(xùn)練松馳身心，調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)，解憂消愁，可以防治許多疾病，提高自身的免疫功能。神經(jīng)心理學(xué)研究證實(shí)，人體腦電波中8～12赫頻率的α波段是成年人在安靜、覺(jué)醒狀態(tài)下的主要活動(dòng)節(jié)奏。在那些正以某種方式入靜的放松者中間，腦波α成分有序化逐漸增強(qiáng)，而憂慮者則很少出現(xiàn)α波，代之以頻率較高的β成分。腦電α波生物反饋，就是用電子儀器處理腦電波中的α頻譜，使受試者感受自身的α信息，學(xué)習(xí)有意識(shí)地運(yùn)用心理過(guò)程來(lái)觸發(fā)某種生理機(jī)制，強(qiáng)化α波段成分。腦波處于α段時(shí)，人體進(jìn)入‘放松性警覺(jué)’狀態(tài)。主觀感覺(jué)舒適、放松和注意力集中，身心沉浸在伸展想像力翅膀飛翔的幻想、沉思?xì)夥罩??？梢匀〉梅欠驳挠洃浟Γ叨葘Ｗ⒑筒煌瑢こ５膭?chuàng)造力。尤其高振幅的α波在沉思中能導(dǎo)致高效學(xué)習(xí)成果，是創(chuàng)意思維活動(dòng)從醞釀到領(lǐng)悟的過(guò)渡過(guò)程，由此引導(dǎo)腦波頻率進(jìn)入低于α波段的θ狀態(tài)，使思想處于非常開(kāi)放，自由流通的創(chuàng)造境界。我個(gè)人認(rèn)為，研制小型、簡(jiǎn)便的電子儀器探索腦電生物反饋領(lǐng)域，對(duì)神經(jīng)生理學(xué)術(shù)研究與開(kāi)發(fā)人體潛能的實(shí)踐均有深遠(yuǎn)意義。目前新興科技發(fā)展的如日中天，研制小型袖珍機(jī)器，進(jìn)行批量生產(chǎn)，以降低成本，爭(zhēng)取普及和推廣腦電生物反饋技術(shù)。1.2實(shí)例舉例我們舉例來(lái)描述現(xiàn)代人的生活。一個(gè)人在早晨還在深睡時(shí)（德?tīng)査X波狀態(tài)）突然被鬧鐘叫醒，時(shí)間來(lái)不及了，馬上行動(dòng)（倍他腦波狀態(tài)），緊張，焦慮和匆忙的一天開(kāi)始了！喝一杯咖啡使自己保持清醒（倍他腦波狀態(tài)），咖啡因可以抑制塞他腦波和阿爾法腦波，并提高倍他腦波。一整天在緊張，壓力或焦慮下工作（大腦中倍他，倍他，還是倍他腦波）一直到晚上精疲力竭時(shí)，一頭扎到床上開(kāi)始大睡（直接進(jìn)入德?tīng)査X波狀態(tài)）。一天當(dāng)中連放松和感到困倦的時(shí)間都沒(méi)有（沒(méi)有時(shí)間進(jìn)入阿爾法腦波和塞他腦波狀態(tài)）?，F(xiàn)代生活中太多的人這樣駕駛自己的大腦，突然而有力地從一檔直接進(jìn)入四檔，并從四檔直接回到一檔。阿爾法腦波的存在的合理性，是我們?nèi)祟惔竽X先天所具有的，是大腦的基本狀態(tài)之一。但現(xiàn)代生活的緊張使太多人忘記了使自己的大腦處于阿爾法腦波狀態(tài)，從而許多人成為緊張，焦慮所導(dǎo)致的疾病的犧牲品。緊張和焦慮降低人體的免疫力。而大腦有相對(duì)較多的阿爾法腦波的人，有相對(duì)教少的焦慮和緊張，因此免疫能力也相對(duì)較高。這當(dāng)然對(duì)每一個(gè)人都有益處。α波又分為三種：慢速α波8-9赫茲臨睡前頭腦茫茫然的狀態(tài)。意識(shí)逐漸走向模糊。中間α波9-12赫茲靈感、直覺(jué)或點(diǎn)子發(fā)揮威力的狀態(tài)，身心輕松而注意力集中。快速α波12-14赫茲高度警覺(jué)，無(wú)暇他顧的狀態(tài)。如果您想減少緊張感，壓力和焦慮，您應(yīng)該在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候提高大腦中的阿爾法腦波，這樣也可以提高您的免疫能力。如果您想提高大腦工作效率，做有創(chuàng)造力的人，您應(yīng)該學(xué)會(huì)如何提高大腦的阿爾法腦波。如果您想在眾人面前使自己表現(xiàn)出色，無(wú)論是運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)還是其他方面的表現(xiàn)，您更應(yīng)該借助阿爾法腦波的幫助。1.3人機(jī)交互接口人機(jī)交互(Human-ComputerInteraction,HCI):是研究關(guān)于設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和實(shí)現(xiàn)供人們使用的交互計(jì)算系統(tǒng)以及有關(guān)這些現(xiàn)象進(jìn)行研究的科學(xué)川。我們所接觸到的人機(jī)交互是指人和計(jì)算機(jī)機(jī)器設(shè)備之間進(jìn)行的信息交流，并且盡可能地具備多種方便快捷的交流方式。和我們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)系最密切的就是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，其設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、麥克風(fēng)等，還包括計(jì)算機(jī)的模式識(shí)別軟件。例如，我們通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)可以很方便地對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行輸入、點(diǎn)擊等控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示器的圖像圖形界面可以清楚地得到計(jì)算機(jī)中的信息，這樣，人和計(jì)算機(jī)之間就形成了一種很實(shí)用的人機(jī)交互。而在早期的計(jì)算機(jī)操作環(huán)境下，計(jì)算機(jī)無(wú)圖形界面，也無(wú)鼠標(biāo)，人和計(jì)算機(jī)之間的交流顯得很麻煩[1]。人機(jī)接口技術(shù)(Human-ComputerInteractionTechniques)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話的技術(shù)。人機(jī)接口技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展中得到廣泛的應(yīng)用。例如，由鼠標(biāo)、USB驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)中相應(yīng)的模式識(shí)別軟件構(gòu)成的人體輸入學(xué)設(shè)備使得人對(duì)計(jì)算機(jī)的操作變得十分快捷簡(jiǎn)便，這是一套典型的人機(jī)交互技術(shù)設(shè)備。麥克風(fēng)、計(jì)算機(jī)聲卡、聲卡驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)中的音頻處理軟件構(gòu)成的音頻輸入設(shè)備可以方便地將語(yǔ)音信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)中[2]，并隨著相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展，語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音合成技術(shù)使得人和計(jì)算機(jī)通過(guò)語(yǔ)音進(jìn)行交流逐漸成為現(xiàn)實(shí)。人機(jī)接口技術(shù)是一套整體的系統(tǒng)，它涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，通常要依靠多種軟硬件系統(tǒng)的相互配合才能實(shí)現(xiàn)。1.4人機(jī)交互的成果（1）瀏覽器一些展廳經(jīng)常提供觸屏展示設(shè)備給參觀者了解展覽信息，但是如果遇到殘障人士或者連手指都懶得動(dòng)一下的高貴客人，BCI就發(fā)揮了用處。這些腦控瀏覽器不需要太復(fù)雜的交互，主要就是點(diǎn)擊、前進(jìn)、后退、滾動(dòng)等操作。這些操作可以用不同的意識(shí)行為來(lái)控制。（2）輪椅控制現(xiàn)有的輪椅需要?jiǎng)e人來(lái)幫忙推，這需要有陪護(hù)時(shí)刻在身后；或者自己用雙手滾動(dòng)輪子，這對(duì)于老年人和手部受傷、殘障的人士來(lái)說(shuō)太困難。但是輪椅的控制在邏輯上是很簡(jiǎn)單的，只需要前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)這樣幾個(gè)操作就可以了，通過(guò)一定的訓(xùn)練，完全可以讓病患完全用意識(shí)來(lái)控制輪椅的操作。（3）假肢缺失的肢體是有神經(jīng)系統(tǒng)控制的，而神經(jīng)系統(tǒng)原本就是由大腦的一部分的延伸。如果假肢能夠利用電子線路代替損壞的神經(jīng)線路與大腦重新建立關(guān)聯(lián)，那么假肢就不再是塑料或木頭，而是可以控制的手指。即便要完成每個(gè)手指的精確移動(dòng)這個(gè)任務(wù)難度太大，光是可以控制腿型假肢的移動(dòng)就已經(jīng)能夠給無(wú)數(shù)殘障人士帶來(lái)很大的方便。美國(guó)的ZacVawter是一名軟件工程師，在一次車禍中喪失右腿。而他所使用的假肢，是通過(guò)檢查腿部肌肉的神經(jīng)來(lái)判斷。這些信號(hào)通過(guò)假肢里的處理器計(jì)算之后，判斷出使用者的意圖。而他在2012年使用假肢爬上了芝加哥一座2100多級(jí)臺(tái)階的北美第一高樓——威利斯大廈WillisTower。這個(gè)活動(dòng)極大的宣傳了腦控假肢的應(yīng)用前景。（4）貓耳朵這是個(gè)很萌的應(yīng)用。日本一家公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)探測(cè)腦電波的頭飾。當(dāng)你開(kāi)心的時(shí)候，你頭箍上的貓耳朵就會(huì)立起來(lái)；當(dāng)你難過(guò)的時(shí)候，貓耳朵就會(huì)垂下。想象下你的女朋友戴著貓耳朵和你約會(huì)的時(shí)候，她的喜怒哀樂(lè)都可以由貓耳朵看出來(lái)，那就不需要費(fèi)很大心思去揣測(cè)女朋友的心情了。對(duì)于不善于揣測(cè)女朋友心思的理工男來(lái)說(shuō)，這個(gè)能很有效地避免兩人的矛盾。不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，這樣的理工男有女朋友？（5）讀心術(shù)雖然我們前面講了BCI是沒(méi)法實(shí)現(xiàn)讀心術(shù)的，但是總有人想要做出不可思議的事情。

2008年日本ATR計(jì)算神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用fMRI的技術(shù)分析大腦活動(dòng)，成功顯示出來(lái)一些分辨率10*10的圖像。原理大致是由視神經(jīng)激活大腦不同位置，fMRI讀取之后，找到圖像和大腦位置間的規(guī)律。這個(gè)訓(xùn)練過(guò)程就得到了圖像和大腦活動(dòng)之間的模式關(guān)系。在測(cè)試新的圖片時(shí)，就可以讀取激活的大腦位置，利用已經(jīng)知道的模式來(lái)推算大概看到了什么。（6）意念控制看過(guò)電影《阿凡達(dá)》的人一定不會(huì)忘記影片中這樣一個(gè)橋段：在潘多拉星上，下身癱瘓的的前海軍戰(zhàn)士杰克·薩利躺在密封艙中，通過(guò)頭上戴著的復(fù)雜設(shè)備，利用意念操控人造的混血阿凡達(dá)。當(dāng)然，潘多拉星和阿凡達(dá)只是導(dǎo)演卡梅隆的虛構(gòu)，利用意念操控阿凡達(dá)自然也不可能發(fā)生。但是你或許不知道，利用“意念”操控物體已經(jīng)不再是人類的空想。EmotivEpoc意念控制器是美國(guó)加州舊金山的神經(jīng)科技公司「EmotivSystems」繼英國(guó)埃塞克斯大學(xué)的科學(xué)家研發(fā)出附有電極的特殊帽子，以思想操控電腦之后，推出的「神經(jīng)頭盔」（neuroheadset），讓使用者戴上之后，只需起心動(dòng)念便可以操控眼前的電腦，透過(guò)意志和情感控制電玩游戲角色動(dòng)作。該產(chǎn)品的訂價(jià)為二百九十九美元。圖1.1意念控制球1.5內(nèi)容概述本文闡述了一種基于人體腦電a波信號(hào)的人機(jī)接口技術(shù)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法[3]。該設(shè)思想為通過(guò)將腦電α波信號(hào)的特征變化轉(zhuǎn)換為控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器設(shè)備的控制。圖1.2和圖1.3分別為系統(tǒng)的硬件采集平臺(tái)實(shí)物圖和系統(tǒng)軟件截圖。圖1.2人機(jī)交互系統(tǒng)的硬件信號(hào)采集平臺(tái)圖1.3人機(jī)交互系統(tǒng)的軟件截圖2、基于腦電a波的HCI系統(tǒng)人體腦電(Electroencephalogram,EEG)是1929年由德國(guó)精神病學(xué)家海森.伯格(HansBerger)在研究中首次發(fā)現(xiàn)，他通過(guò)記錄和研究人體大腦電流的變化情況發(fā)現(xiàn)該電流具有規(guī)律性變化的特性[10]。隨后，該發(fā)現(xiàn)相繼被其他科學(xué)家的研究所證實(shí)，有關(guān)腦電信號(hào)的研究作為一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的分支得到迅速發(fā)展。很多腦電領(lǐng)域研究成果在應(yīng)用領(lǐng)域具有重要作用，其中，例如，能客觀反映大腦狀況的腦電圖在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用[11][12]。隨著人們對(duì)腦電信號(hào)認(rèn)識(shí)的逐步深入，腦電信號(hào)的種類逐漸擴(kuò)展，例如:常規(guī)的多導(dǎo)聯(lián)腦電信號(hào)，包括自發(fā)腦電和誘發(fā)腦電、動(dòng)態(tài)腦電信號(hào)、睡眠腦電信號(hào)等，相關(guān)的特征也得到較為深入的研究。腦電信號(hào)的特征變化可作為一種人體信息傳遞平臺(tái)，其研究和應(yīng)用不斷被探索，其中將腦電信號(hào)作為人體與外界進(jìn)行直接信息交流通道這一想法越來(lái)越受到眾多研究機(jī)構(gòu)的重視，基于腦電信號(hào)的人機(jī)接口技術(shù)由此得到不斷發(fā)展。腦電信號(hào)的諸多特性使得這種人機(jī)接口技術(shù)比其他方法具有更多的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景[13]。2.1腦電a波的概述及其在HCI系統(tǒng)中的應(yīng)用人機(jī)接口系統(tǒng)所使用的腦電信號(hào)為電極從人體頭皮表面所采集的能反映大腦特征變化的微弱電流，這些微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)電路特殊處理后可作為人體對(duì)外信息傳輸?shù)妮d體。目前基于腦電信號(hào)的人機(jī)接口系統(tǒng)所使用的腦電從類型上可以分為誘發(fā)電位和自發(fā)電位兩種。誘發(fā)電位是指采用各種特定刺激源刺激神經(jīng)系統(tǒng)后人體大腦皮層會(huì)產(chǎn)生的相關(guān)電位，常見(jiàn)的誘發(fā)電位包括依靠視覺(jué)神經(jīng)的視覺(jué)誘發(fā)電位、依靠聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)的聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位、事件相關(guān)電位等。采用誘發(fā)電位的腦機(jī)接口系統(tǒng)所具備的優(yōu)點(diǎn)是受試者不需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的訓(xùn)練，并且誘發(fā)電位通常在相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)受到刺激后特定的時(shí)間范圍內(nèi)和人體特定的部位可以被檢測(cè)到，因此在實(shí)際測(cè)試中較容易檢測(cè)到誘發(fā)電位的特征變化并且在特征識(shí)別具備較高的準(zhǔn)確率。但是誘發(fā)電位的產(chǎn)生需要依賴外界刺激設(shè)備一刺激源。圖2.1為一種基于視覺(jué)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型[4]。圖2.1基于視覺(jué)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型自發(fā)電位又稱自發(fā)腦電節(jié)律，它是指人體大腦皮層在自然正常狀態(tài)下產(chǎn)生的自發(fā)的電位變化。自發(fā)腦電節(jié)律分為很多種類，比如α節(jié)律、β節(jié)律等。人體自身狀態(tài)的某些變化會(huì)引起大腦皮層自發(fā)腦電節(jié)律的相關(guān)變化。2.1.1α波信號(hào)α波信號(hào)是自發(fā)腦電節(jié)律的一種，又稱α節(jié)律。α節(jié)律是一種對(duì)應(yīng)與大腦皮層中視覺(jué)皮層的閑散節(jié)律的電活動(dòng)，通常α波信號(hào)的能量主要集中在8-13Hz的頻段內(nèi)，在人體頭皮表面可檢測(cè)到的a波信號(hào)強(qiáng)度很微弱，電壓幅度大約在20-100laV的范圍內(nèi)波動(dòng)。α波具有顯著的節(jié)律性EEG波形特征實(shí)驗(yàn)中會(huì)在受試者清醒狀態(tài)時(shí)閉目后出現(xiàn)，其信號(hào)的波形類似于正弦波，幅度變化特點(diǎn)為先逐漸增大，再逐漸變小，總體外形為梭形形狀。圖2.2為課題實(shí)驗(yàn)中所采集腦電數(shù)據(jù)的α波波形仿真圖[5]圖2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中α波信號(hào)波形截選圖2.1.2α波信號(hào)的應(yīng)用α波的梭狀波形通?？梢猿掷m(xù)1到2秒鐘的時(shí)間，當(dāng)人睜眼或集中精力思考某個(gè)問(wèn)題時(shí)α波會(huì)消失，緊接著會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的快波，這種特性在腦電研究中被稱為a波阻斷現(xiàn)象。該現(xiàn)象在人機(jī)接口研究領(lǐng)域具備很重要的應(yīng)用。由于α波信號(hào)的這一獨(dú)有特性，人機(jī)接口系統(tǒng)中可以利用其進(jìn)行命令或指令輸出，從而實(shí)現(xiàn)一種對(duì)設(shè)備簡(jiǎn)單而實(shí)用的控制手段。根據(jù)α波阻斷原理，在人機(jī)接口系統(tǒng)中通過(guò)采集設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體頭皮表面α波信號(hào)的幅度，當(dāng)受試者想要發(fā)送一個(gè)控制命令時(shí)可以閉目，大腦皮層中的α波信號(hào)幅度會(huì)增大，系統(tǒng)檢測(cè)到這一變化后就會(huì)發(fā)送控制命令對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行操作，當(dāng)受試者睜眼后，信號(hào)幅度降低，系統(tǒng)可再次發(fā)送控制命令。這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)需要整個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，包括生物醫(yī)學(xué)工程、模擬電路設(shè)計(jì)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、軟件工程等[6]。2.2系統(tǒng)的框架和原理本課題所設(shè)計(jì)的基于腦電a波的人機(jī)交互從整體結(jié)構(gòu)上涵蓋了多個(gè)子系統(tǒng)模塊。如圖2.3所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型框圖，該人機(jī)交互系統(tǒng)主要由輸入端電極、腦電預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、系統(tǒng)軟件、外部控制設(shè)備等部分組成。圖2.3人機(jī)交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行原理:輸入端的三個(gè)電極分別放置在受試者的頭皮枕部、耳垂、額前。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)受試者清醒狀態(tài)下閉目時(shí)，大腦皮層中的α波迅速增強(qiáng)。頭皮表面的EEG由電極和傳輸導(dǎo)線經(jīng)過(guò)腦電預(yù)處理電路濾波、放大，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡AD轉(zhuǎn)換后通過(guò)USB總線傳入PC中。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)分析模塊首先使用濾波代碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，濾除EEG中的直流分量成分以抑制信號(hào)的基線漂移，再采用基于滑動(dòng)窗的迭代頻譜檢測(cè)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。算法中針對(duì)α波阻斷現(xiàn)象這一特點(diǎn)，在EEG信號(hào)的頻譜幅度上設(shè)置一個(gè)動(dòng)態(tài)檢測(cè)門限[7]，每次對(duì)幅值大于檢測(cè)門限的頻率點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)比，依據(jù)數(shù)據(jù)的頻譜峰值是否在α波信號(hào)的主要能量頻段范圍內(nèi)8-13Hz推斷出此時(shí)受試者是否閉目，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成控制命令。為了解決不同受試者EEG在頻譜幅度上的差異對(duì)檢測(cè)門限的影響，在每次頻譜分析運(yùn)算前進(jìn)行能量歸一化操作，即將軟件滑動(dòng)窗內(nèi)的當(dāng)前值除以其均方差，從而使不同待檢測(cè)信號(hào)的相對(duì)差異得以抑制，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)門限值不會(huì)出現(xiàn)太大波動(dòng)。3、腦電α波的提取許多種類的微弱信號(hào)用普通的測(cè)量?jī)x是很難測(cè)出來(lái)的，例如人的腦電、肌電信號(hào)等。因?yàn)槟X電信號(hào)的電壓幅值很小，只有5～150μV,頻率低至幾十赫茲以下,這些信號(hào)極易被外界干擾信號(hào)淹沒(méi)。另外,腦電信號(hào)的輸出電流也及其微弱,不能用低輸入阻抗放大器處理.因此，為放大這類信號(hào)，必須采用高放大倍數(shù)、高輸入阻抗的放大器進(jìn)行采集放大。但僅考慮高放大倍數(shù)、高輸入阻抗還不能有效地將腦電波采集輸出，還應(yīng)考慮信號(hào)的作用，因?yàn)橛行└蓴_信號(hào)的幅值已大于或接近于腦電、肌電幅值，如果放大器沒(méi)有足夠高的信噪比,也很難將腦電、肌電等有用信號(hào)采集到[8]。所以這種微電壓放大器不僅要考慮它的放大倍數(shù),還要考慮它的干擾能力。3.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于人體本身就是一個(gè)高阻，因此采集接受腦電波的放大器必須是高輸入阻抗放大器。由于差分放大器是微電壓放大器的前級(jí)，對(duì)共模抑制比及溫漂等參數(shù)的要求非常嚴(yán)格，因此必須使用祛除50Hz工頻信號(hào)的帶阻濾波器[9]、截止頻率ω0為100Hz的低通濾波器、集成隔離放大器、α波，β波的帶通濾波器等進(jìn)行并行采樣、分時(shí)轉(zhuǎn)換。圖3.1腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的總體框圖3.3輸入端電極為了獲得較好的信號(hào)采集效果，硬件平臺(tái)中的系統(tǒng)輸入端電極選用精密的銀/氯化銀電極。該電極主要由金屬銀構(gòu)成，其表面覆蓋一層氯化銀成份，對(duì)人體無(wú)傷害、與皮膚接觸時(shí)刺激性小，具備很好的抗溶解性，使用過(guò)程中性能穩(wěn)定。該電極的導(dǎo)線為內(nèi)部三芯結(jié)構(gòu)加外部屏蔽線，具備良好的導(dǎo)電性和抗干擾性，可有效傳導(dǎo)人體皮膚表面的微弱生物電信號(hào)，如腦電信號(hào)((EEG)、心電信號(hào)((ECG),眼電信號(hào)((EOG)。圖3.2為系統(tǒng)所用的腦電信號(hào)測(cè)量電極。為了提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電極的檢測(cè)效果，通常在電極表面涂蓋一層電極膏以提高導(dǎo)電性。圖3.2系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的輸入端電極腦機(jī)接口系統(tǒng)中電極的安放位置普遍遵循10-20導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)所規(guī)定的電極安放標(biāo)準(zhǔn),10-20導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)是由國(guó)際腦電圖協(xié)會(huì)制定的腦電測(cè)量中相關(guān)電極的名稱和安放位置。圖3.3為目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)腦電10-20導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)的圖示，圖中詳細(xì)標(biāo)示了人體頭部相關(guān)電極的命名和位置。該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電極名稱由字母加數(shù)字組成:其中字母代表人體大腦皮層上的特殊區(qū)域，例如P代表大腦皮層頂部區(qū)域，C代表大腦皮層中央?yún)^(qū)域;數(shù)字為偶數(shù)時(shí)表示該電極的位置處于大腦右半球，數(shù)字為奇數(shù)時(shí)表示電極的位置處于大腦左半球。表3-1詳細(xì)列出了10-20國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)腦電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)中主要導(dǎo)聯(lián)的相關(guān)參數(shù)，如所處部位、導(dǎo)聯(lián)的名稱以及代號(hào)等。圖3.3國(guó)際10-20標(biāo)準(zhǔn)腦電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)圖示圖表3-110-20腦電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)中的導(dǎo)聯(lián)的相關(guān)參數(shù)在基于腦電信號(hào)的人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，電極在受試者頭皮表面的安放位置由目標(biāo)信號(hào)的特征決定。系統(tǒng)輸入端共有三個(gè)電極:input0端貼在受試者頭皮的枕部，位于圖3.3中標(biāo)示的Oz導(dǎo)聯(lián)處，在人體頭皮表面，Oz導(dǎo)聯(lián)處腦電成份中的自發(fā)腦電。波信號(hào)幅度最強(qiáng)；inputl端作為地電極貼在受試者額頭的眉心處;input2端為電路的參考電極貼在受試者的右耳垂處。3.4α腦電波提取實(shí)例3.4.1α波提取由于α波的頻率在8~13Hz,所以構(gòu)造頻率為8.5Hz、9.5Hz、10.5Hz、11.5Hz、12.5Hz的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)各一組,一共10個(gè)信號(hào)作為α波的參考信號(hào)。將這10個(gè)信號(hào)與原始閉眼腦電信號(hào)S構(gòu)成ICA方法的輸入端,如圖4所示,然后用fastICA算法對(duì)11個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行分離,以把閉眼腦電信號(hào)中的α波分離掉,得到不含α波的腦電信號(hào)D,分離結(jié)果如圖3.4所示：圖3.4部分原始閉眼腦電信號(hào)和構(gòu)造的正弦、余弦信號(hào)圖3.5ICA方法的輸出信號(hào)為了證明分離過(guò)程的正確，將分離得到的信號(hào)依次和源信號(hào)S相關(guān)得到的相關(guān)系數(shù)如表2：表2源信號(hào)和分離輸出信號(hào)的相關(guān)系數(shù)表從表2中可以看到,分離得到的最后一個(gè)信號(hào)與源信號(hào)的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前面的信號(hào)的，因此可以判斷最后一個(gè)信號(hào)即為D,它和原始信號(hào)的相關(guān)性最強(qiáng),證明了分離結(jié)果的正確。比較S和D信號(hào)的相位關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)比較S和D在某一位置附近上升還是下降的趨勢(shì)來(lái)判別兩者相位關(guān)系，若同為上升趨勢(shì),則同相;若趨勢(shì)不同,則反相。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中比較S和D在第100數(shù)據(jù)點(diǎn)附近的波形,S信號(hào)為上升趨勢(shì),而D信號(hào)為下降趨勢(shì),說(shuō)明S信號(hào)與D信號(hào)的相位相反,這與S和D相系數(shù)為負(fù)一致。因此,要分離的α波為:C=S+r×D得到的α波波形以及功率譜圖如圖3.6所示：圖3.6提取出的α波及其功率譜圖3.4.2α波去噪由圖3.5看出,用ICA方法提取出的α波功率譜在50Hz處有一個(gè)峰值,說(shuō)明信號(hào)中還含有一定的工頻噪聲,因此需要進(jìn)行消噪。消除工頻噪聲后,最終閉眼腦電信號(hào)提取出的不含工頻噪聲的α波信號(hào)以及功率譜如圖3.7所示。圖3.7不含工頻噪聲的α波及其功率譜圖4、人機(jī)交互腦電波的未來(lái)如今，技術(shù)發(fā)展的迅猛程度已經(jīng)完全超出了我們的想象。如果你是新興技術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)者，或許你今天開(kāi)發(fā)的東西，明天就被別人的取代了，或者過(guò)時(shí)了。如果你是該領(lǐng)域的關(guān)注者，那么相信你每天都會(huì)很忙，因?yàn)槟銜r(shí)刻要縱覽全球前沿技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，才能讓自己保持清醒的思路。在新的技術(shù)時(shí)代，人體的各大感官功能都已經(jīng)被研究，并用于開(kāi)發(fā)各個(gè)領(lǐng)域的感應(yīng)器，從而與各種終端設(shè)備深度結(jié)合在一起。人體感官體現(xiàn)在終端設(shè)備上，已經(jīng)有語(yǔ)音控制、身體感知控制、視覺(jué)控制、腦波控制等終端產(chǎn)品。從目前產(chǎn)品化狀況來(lái)看，人體幾大感官功能中，視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、身體感知是產(chǎn)品化比較成熟的，但為什么嗅覺(jué)、味覺(jué)、腦波（思維）控制方面的產(chǎn)品研究卻相對(duì)較弱？這三者產(chǎn)品化方面又有什么新動(dòng)向和發(fā)展趨勢(shì)？目前，研究利用腦波技術(shù)或腦波控制的相對(duì)也比較多，比如利用思維開(kāi)車，就是用人的腦波讀懂人的思維來(lái)控制車到底要往哪里開(kāi)。大多數(shù)人都知道谷歌的無(wú)人駕駛汽車，但不知道的是，柏林自由大學(xué)的工程師開(kāi)發(fā)出的“自治汽車”（autonomouscar）更讓人驚嘆，更酷！汽車的速度和方向可以由司機(jī)的思維來(lái)控制。只要你想一下“我要到這個(gè)地方”，然后汽車就會(huì)轉(zhuǎn)彎駛向新的路徑。如果你中途改變主意，又想去別的地方，沒(méi)問(wèn)題，只要你想一下，一切都搞定。但要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，需要一個(gè)思維控制頭式耳機(jī)，耳機(jī)包含16個(gè)腦電圖記錄感應(yīng)器（Emotiv公司制造的），用戶可以訓(xùn)練它來(lái)感應(yīng)代表某些想法的腦電波模式。因此，它的整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)是比較復(fù)雜的，系統(tǒng)的價(jià)值要300美元，所以真要成功商業(yè)化，復(fù)雜性和成本都是問(wèn)題。這個(gè)實(shí)現(xiàn)起來(lái)確實(shí)比較復(fù)雜。再有就是，要實(shí)現(xiàn)利用腦波，最主要的就是對(duì)腦電波的掃描，而這個(gè)掃描都需要在頭上佩戴比較復(fù)雜的設(shè)備，才能監(jiān)督和收集腦電波的活動(dòng)，根據(jù)活動(dòng)判斷人類的思維。所以，如果要成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，必須要解決產(chǎn)品簡(jiǎn)易的問(wèn)題，但目前對(duì)腦波掃描的設(shè)備還是比較復(fù)雜和頭戴式大型設(shè)備，這也是目前影響更好商業(yè)化的一個(gè)方面。但還有一個(gè)最主要的原因在于，人類的腦部活動(dòng)和思維都非常精密，腦波活動(dòng)是大腦更高層次的事情，難以被捕捉和模仿，或被寫成程序。腦波不像常規(guī)的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)那樣是有規(guī)律的脈沖，人在清醒和昏睡時(shí)的腦波強(qiáng)弱是不一樣的。所以目前整體的現(xiàn)狀應(yīng)該是還停留在基礎(chǔ)研究的難度上，做成傳感器產(chǎn)品相對(duì)不容易。真要用計(jì)算機(jī)來(lái)徹底了解人類思維，可以說(shuō)目前是不可能的。只能說(shuō)能根據(jù)一些腦電圖來(lái)大致判斷一些人的思維活動(dòng)。另外，利用人類腦波（思維）的研究，目前多用于醫(yī)療領(lǐng)域。比如，測(cè)謊系統(tǒng)，心理學(xué)領(lǐng)域等。但這種腦電圖記錄感應(yīng)器可以有更多直接的應(yīng)用，比如：控制仿生四肢、讓人操作輪椅、控制手機(jī)或平板電腦，還可以應(yīng)用在玩游戲，感知用戶心理狀態(tài)等方面。雖然目前的腦電波的發(fā)展有限，但還是有很大的市場(chǎng)空間和發(fā)展空間，腦電波應(yīng)用在未來(lái)將會(huì)成為人類的主流應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]趙翔.智能輪椅的BCI人機(jī)接口技術(shù)研究[D].中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位