鄒家豪 陳群

（吉林大學(xué)珠海學(xué)院 廣東省珠海市 519041）

1 引言

1.1 腦機(jī)接口概念

腦機(jī)接口(Brain-Computer Interface , BCI)是一種生物腦細(xì)胞與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接通路，腦機(jī)接口系統(tǒng)可以通過(guò)采集和分析腦細(xì)胞群自發(fā)性、周期性的電位活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生物腦細(xì)胞與設(shè)備的信息交換，繞開(kāi)了必須由軀體組織控制終端設(shè)備這一限制條件，改變了中樞神經(jīng)系統(tǒng)與內(nèi)外環(huán)境之間的作用方式。構(gòu)建一個(gè)完整的腦機(jī)接口系統(tǒng)，需要涵蓋腦電信號(hào)采集、信號(hào)處理和控制外部設(shè)備三大組成環(huán)節(jié)。通常涉及基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)、大腦信號(hào)記錄和刺激技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)四大領(lǐng)域知識(shí)[1]。腦機(jī)接口系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程是，首先依照神經(jīng)科學(xué)規(guī)范，通過(guò)刺激技術(shù)使受試者產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的誘發(fā)反饋，并通過(guò)采集設(shè)備從受試者身上獲取腦電信號(hào)；再經(jīng)過(guò)電路放大、A/D 轉(zhuǎn)換等預(yù)處理方法，合成出有使用價(jià)值的數(shù)字信號(hào)；然后基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，提取特征向量進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別；最后將識(shí)別分類(lèi)的結(jié)果轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備的控制指令輸出，達(dá)到僅靠生物腦電波控制外部設(shè)備的目的。

1.2 腦機(jī)接口研究現(xiàn)狀

腦機(jī)接口技術(shù)的起源可以追溯到20 世紀(jì)60年代Delgado 開(kāi)發(fā)的可植入芯片，其利用無(wú)線電刺激腦細(xì)胞，再通過(guò)遙測(cè)技術(shù)發(fā)送和控制受控體的自由移動(dòng)[1]。到20 世紀(jì)90年代，有關(guān)BCI 的研究完成了從概念到階段性成果的飛躍。在21 世紀(jì)，更是迎來(lái)了應(yīng)用落地的熱潮。當(dāng)前，BCI 系統(tǒng)通常分為以植入芯片為代表的侵入式BCI、以采集大腦皮層電波信號(hào)為代表的非侵入式BCI 和各類(lèi)混合組合型BCI 系統(tǒng)。在腦機(jī)接口系統(tǒng)中，已形成多種實(shí)驗(yàn)范式，不同實(shí)驗(yàn)范式可以得到不同的腦電信號(hào)成分。目前應(yīng)用于BCI 系統(tǒng)的生理電信號(hào)主要分為以誘發(fā)電位刺激產(chǎn)生為主的外源性信號(hào)和以特定思維自發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)源性信號(hào)兩大類(lèi)。在作業(yè)實(shí)驗(yàn)中，最常見(jiàn)的三大腦機(jī)接口基本范式分別為：

（1）基于想象運(yùn)動(dòng)的腦機(jī)接口系統(tǒng)（ERD/ERS-BCI）；

（2）基于P300 的腦機(jī)接口系統(tǒng)（P300-BCI）；

（3）基于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的腦機(jī)接口系統(tǒng)（SSVEP-BCI）[2]。

而作為三大腦機(jī)接口基本范式之一的穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(Steady-State Visual Evoked Potential , SSVEP)是指，當(dāng)視網(wǎng)膜感受到3.5-75Hz 的視覺(jué)刺激后，腦細(xì)胞將會(huì)產(chǎn)生相同或倍數(shù)頻率的電氣活動(dòng)，腦電信號(hào)類(lèi)似呈現(xiàn)為正弦波。這種大腦對(duì)于特定頻率的視覺(jué)刺激所誘發(fā)的信號(hào)，具有更少的用戶訓(xùn)練、更高的信噪比和更快的信息傳輸速率等優(yōu)勢(shì)[2]。經(jīng)研究比較，本文正是采用了SSVEPBCI 范式進(jìn)行腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

1.3 腦機(jī)接口助力失能人士

21 世紀(jì)，世界人口老齡化的問(wèn)題日益嚴(yán)重。據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)分析，當(dāng)前世界老齡人口平均年增速度為2.5%，同期我國(guó)老齡人口的年增速度為3.3%，增長(zhǎng)速度超過(guò)了世界老齡化的速度，到2030年中國(guó)老齡人口比例或達(dá)25%。中國(guó)已經(jīng)步入老齡化社會(huì)！老齡社會(huì)中，會(huì)有相當(dāng)一部分老齡人口因疾病或者身體機(jī)能下降，而處于失能的狀態(tài)。據(jù)《我國(guó)失能老人數(shù)量及其結(jié)構(gòu)的定量預(yù)測(cè)分析》統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)60 歲及以上失能人口約為1536 萬(wàn)人，其中生活完全不能自理的老人330 萬(wàn)人；2054年我國(guó)失能老人總量將達(dá)到峰值約為4300 萬(wàn)人，生活完全不能自理的老人約1600 萬(wàn)。這類(lèi)失能老人，大部分有健全的思維能力，但四肢卻無(wú)法自由活動(dòng)，也不能開(kāi)口說(shuō)話，本文稱(chēng)之為語(yǔ)體失能。語(yǔ)體失能人士沒(méi)辦法向外界表達(dá)需求，就連簡(jiǎn)單的餓了、渴了、排便等，都難以讓家屬和醫(yī)護(hù)人員知曉，也就很難得到及時(shí)的關(guān)懷和照顧。而老齡化社會(huì)和先前國(guó)家實(shí)行的獨(dú)生子女政策導(dǎo)致的“421”家庭結(jié)構(gòu)，將使家庭和社會(huì)沒(méi)有足夠的人力可全天候監(jiān)守關(guān)護(hù)上述語(yǔ)體失能人士。這種局面下，如果沒(méi)有新的力量來(lái)使?fàn)顩r加以改善，那么無(wú)論在人文方面或是倫理上，都將是人間悲劇。

圖1：系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

圖2：系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

本文研究一種腦機(jī)接口系統(tǒng)，通過(guò)穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位技術(shù)，以按一定頻率閃動(dòng)的圖文信息刺激語(yǔ)體失能病患（后文簡(jiǎn)稱(chēng)為失能病患或病患）的視覺(jué)，并檢測(cè)其反饋出的腦電波，進(jìn)而經(jīng)分析、比對(duì)和鑒別，解析出病患的意愿和想法，然后及時(shí)通知給家屬或醫(yī)護(hù)人員，使失能病患可及時(shí)得到必要的關(guān)懷照料。系統(tǒng)的腦電波采集分析模塊，使用美國(guó)NeuroSky 神念科技面向大眾開(kāi)發(fā)者市場(chǎng)發(fā)行的成熟商用且平價(jià)的腦波采集模TGAM，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)大腦皮層枕區(qū)的微弱腦電信號(hào)；再通過(guò)解包獲取原始腦電信號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行SSVEP信號(hào)的分析處理，并輔之專(zhuān)注度數(shù)值，基于SSVEP-BCI 腦電范式完成特征值分析，可準(zhǔn)確識(shí)別病患注視的是哪條圖文信息。這樣，就可以通過(guò)技術(shù)手段，打通失能人士與外界的信息溝通渠道。

2 系統(tǒng)功能與工作流程

本文腦電信息溝通系統(tǒng)以穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位刺激SSVEP-BCI腦電范式為基礎(chǔ)。用戶通過(guò)注視前方顯示屏，從所顯示的隱含特定閃動(dòng)頻率的信息圖文塊，獲得視覺(jué)誘發(fā)刺激，激發(fā)其大腦發(fā)出相應(yīng)腦電信號(hào)。接收系統(tǒng)通過(guò)基于TGAM 模塊的腦電信號(hào)采集設(shè)備，獲取用戶視覺(jué)誘發(fā)的腦電信號(hào)；再經(jīng)分析模塊比對(duì)腦電信號(hào)頻率與屏幕上各圖文模塊的閃動(dòng)頻率，識(shí)別出用戶注視的是屏幕上的哪條圖文信息；從而使用戶的“意念”得以被外界實(shí)時(shí)感知和顯式地語(yǔ)言化理解。他人便可借助于該系統(tǒng)，以腦電波為媒介，與用戶進(jìn)行信息溝通。

系統(tǒng)的主要功能有：

（1）用特定布排的、隱含不同閃動(dòng)頻率的信息圖文塊形成視覺(jué)刺激源。圖文信息內(nèi)容涵蓋病患基本需求和基本意愿，按照思維習(xí)慣和使用頻率分類(lèi)分頁(yè)設(shè)計(jì)、合理布排；并基于穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)規(guī)范設(shè)計(jì)閃動(dòng)，和做到動(dòng)態(tài)更新；還可根據(jù)病患使用情況和特點(diǎn)自主生成定制內(nèi)容。

（2）經(jīng)腦電信號(hào)采集分析，自動(dòng)比對(duì)識(shí)別出病患所注視的刺激源圖文信息。

（3）病患可以通過(guò)注視，“選擇”LCD 屏幕上顯示的刺激源圖文信息或溝通窗口的預(yù)設(shè)語(yǔ)義情緒語(yǔ)句與內(nèi)置表情，表達(dá)出其需求或意愿。系統(tǒng)檢測(cè)出相應(yīng)腦電信號(hào)后，進(jìn)行智能信息補(bǔ)全，然后實(shí)時(shí)傳送到遠(yuǎn)程終端設(shè)備，并以更直觀和語(yǔ)義更飽滿的圖文、語(yǔ)音或視頻等表示方式，呈現(xiàn)給家屬或醫(yī)護(hù)人員。

（4）家屬或醫(yī)護(hù)人員接收到來(lái)自病患的多媒體信息后，同樣可以圖文、語(yǔ)音或視頻方式進(jìn)行實(shí)時(shí)回應(yīng)?；貞?yīng)信息將返回到病患眼前的信息終端設(shè)備上。同時(shí)語(yǔ)音信息自動(dòng)轉(zhuǎn)文字，增強(qiáng)信息呈現(xiàn)效果。通過(guò)這樣一來(lái)一回的信息互動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)病患與家屬或醫(yī)護(hù)人員的實(shí)時(shí)連續(xù)溝通。

（5）家屬或醫(yī)護(hù)人員可遠(yuǎn)程調(diào)用病患跟前信息終端上的攝像組件，觀察病患狀態(tài)，或是進(jìn)行視頻互動(dòng)。

（6）病患可通過(guò)注視屏幕上的有關(guān)操作區(qū)，翻看新聞或觀看內(nèi)置影片，進(jìn)行自?shī)首詷?lè)。甚至可在有關(guān)軟件輔助下，從事一定的腦力工作。

圖3：系統(tǒng)硬件架構(gòu)

（7）系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄病患生命體征數(shù)據(jù)，并結(jié)合病患與家屬或醫(yī)護(hù)人員的信息互動(dòng)情況，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)生智能化自動(dòng)信息提示，提高護(hù)理治療的針對(duì)性。

（8）系統(tǒng)全面記錄存儲(chǔ)日志信息，和護(hù)理及診斷治療的實(shí)施情況信息。后期可擴(kuò)充作為一套完善的全周期病患生命管理系統(tǒng)，輔助病患高質(zhì)量地、尊嚴(yán)地存活，并方便家屬和醫(yī)護(hù)人員管理病患相關(guān)護(hù)理及醫(yī)療信息，提高護(hù)理及治療的針對(duì)性、質(zhì)量與效率。

系統(tǒng)的工作過(guò)程為：

（1） 護(hù)理人員給病患佩戴電極帽，開(kāi)通腦電信息系統(tǒng)。刺激源圖文信息顯示在病患眼睛前方平板電腦的LCD 屏幕上。

（2）病患要表達(dá)愿望或需求時(shí)，視覺(jué)搜尋屏幕上的圖文信息或操作鍵，并注視。當(dāng)專(zhuān)注度超過(guò)閾值時(shí)，誘發(fā)出相應(yīng)頻率的腦電波。

（3）系統(tǒng)通過(guò)SSVEP-BCI 腦機(jī)接口范式，識(shí)別出病患注視的信息或操作鍵，并給出確認(rèn)提示。

（4）病患注視提示來(lái)確認(rèn)后，系統(tǒng)將病患想表達(dá)的信息，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，傳遞給家屬與醫(yī)護(hù)人員的信息終端，并以直觀精準(zhǔn)的多媒體方式及時(shí)呈現(xiàn)給他們。

（5）收到病患信息的家屬和醫(yī)護(hù)人員，以圖文、語(yǔ)音或視頻等某種恰當(dāng)方式，及時(shí)向病患發(fā)送回應(yīng)。必要時(shí)進(jìn)行視頻互動(dòng)，或趕到病患臥床處進(jìn)行探視處理。

（6）系統(tǒng)將家屬或醫(yī)護(hù)人員的回應(yīng)信息傳送到病患眼前的LCD 屏幕，以相應(yīng)方式呈現(xiàn)給病患。

（7）病患收到并理解回應(yīng)信息后，可再通過(guò)視覺(jué)意念，切換或選擇顯示屏上的圖文條目?jī)?nèi)容，進(jìn)一步表達(dá)信息，與家屬醫(yī)護(hù)進(jìn)行互動(dòng)溝通。

（8）當(dāng)病患有精力時(shí)，也可通過(guò)視覺(jué)意念，打開(kāi)顯示屏上的內(nèi)置影視或新聞內(nèi)容進(jìn)行觀看，自我?jiàn)蕵?lè)，甚至可以進(jìn)行簡(jiǎn)單腦力工作。

（9）系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集記錄腦機(jī)互動(dòng)過(guò)程，和監(jiān)測(cè)病患生命體征數(shù)據(jù)，并經(jīng)大數(shù)據(jù)分析，挖掘出重要隱含信息，提示給病患或家屬醫(yī)護(hù)，以供精準(zhǔn)治療和護(hù)理。

3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文系統(tǒng)以腦電信息溝通為目的進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由三大部分構(gòu)成。

圖4：TGAM 腦電模塊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

圖5：TGAM 大包數(shù)據(jù)包格式

圖6：TGAM 小包數(shù)據(jù)包格式

（1）腦機(jī)接口部分。該部分由符合醫(yī)用的腦電采集設(shè)備組成，包括電極帽、干電極、Arduino-UNO 和TGAM 腦電芯片等，完成對(duì)腦電信號(hào)的采集、傳輸和預(yù)處理工作。其采取SSVEP-BCI 腦電范式方案，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)失能病患受到視覺(jué)誘發(fā)的反饋。當(dāng)失能病患注視前方屏幕上的幾塊以固定頻率閃爍的圖文信息中的一塊，誘發(fā)出相應(yīng)頻率的腦電波時(shí)，腦機(jī)接口模塊將檢測(cè)到信號(hào)，識(shí)別出失能病患所注視的圖文信息塊。

（2）病患視聽(tīng)界面與視覺(jué)刺激部分。該部分由平板電腦及其內(nèi)置的腦電信息溝通系統(tǒng)核心軟件組成。系統(tǒng)采用Python Django Web + Vue.js 框架，完成對(duì)腦電信號(hào)的完整分析，包括SSVEP 的特征值匹配分析，及整體管理控制功能。平板電腦維護(hù)一個(gè)詞句庫(kù)，按照一定規(guī)則與相應(yīng)圖片綁定，分段顯示在屏幕上，并按指定的頻率閃動(dòng)。在病患注視屏幕時(shí)，這些頻閃圖文信息成為對(duì)失能病患的視覺(jué)誘發(fā)刺激。當(dāng)平板電腦接收到腦機(jī)接口部分輸出的視覺(jué)誘發(fā)反饋腦電信號(hào)，并經(jīng)分析識(shí)別出刺激源圖文塊后，進(jìn)行智能信息補(bǔ)全，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送給家屬或醫(yī)護(hù)人員的信息終端；病患也可以通過(guò)“視控”，完成屏幕信息翻頁(yè)，或啟動(dòng)影視播放，以供病患自我?jiàn)蕵?lè)。

（3）家屬醫(yī)護(hù)界面部分。該部分的核心是遠(yuǎn)程終端(手機(jī)/電腦)上的應(yīng)用軟件，同樣為Python Django Web + Vue.js 架構(gòu)。它接收顯示來(lái)自平板電腦的病患意念信息，可輸入和發(fā)送應(yīng)答，并能夠遠(yuǎn)程調(diào)用病患眼前的終端攝像頭，觀察病患情況，實(shí)現(xiàn)家屬或醫(yī)護(hù)人員與失能患者間的互動(dòng)溝通。

考慮到該系統(tǒng)通常建立在專(zhuān)用的醫(yī)療管理網(wǎng)絡(luò)中，用戶群相對(duì)固定，軟件對(duì)處理速度、功能和信息安全的要求較高，因而系統(tǒng)采取結(jié)構(gòu)上更為安全的C/S（Client-Server）架構(gòu)。服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，客戶機(jī)負(fù)責(zé)完成與用戶的交互任務(wù)，并通過(guò)串口、藍(lán)牙和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)劃分為門(mén)戶層、接入層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)支撐層五個(gè)層次。 其中，門(mén)戶層服務(wù)三類(lèi)目標(biāo)用戶，即語(yǔ)體失能病患、家屬和醫(yī)護(hù)人員；接入層指明，目標(biāo)用戶可從終端設(shè)備或服務(wù)接口的Web site，使用該系統(tǒng)；應(yīng)用層涵蓋該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，包括腦電信號(hào)相關(guān)的采集和分析、腦電信息溝通的視頻和圖文交流等；數(shù)據(jù)層定義三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，分別是患者數(shù)據(jù)庫(kù)、醫(yī)護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)和家屬數(shù)據(jù)庫(kù)；基礎(chǔ)支撐層對(duì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟硬件設(shè)備做出要求，包括腦電采集設(shè)備、病患使用的平板電腦、所使用的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)使用的服務(wù)器及其相關(guān)傳輸設(shè)備等。此外是身份識(shí)別與鑒權(quán)和日志服務(wù)，對(duì)所使用的設(shè)備終端和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分化，方便后期的維護(hù)和管理。

4 模塊設(shè)計(jì)

4.1 硬件組成

該系統(tǒng)的硬件主要分為腦電采集、腦電分析通信、腦電應(yīng)用三大組成部分。其中，腦電采集部分是該系統(tǒng)的關(guān)鍵，佩戴于語(yǔ)體失能患者頭部，由符合醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)的電極帽、干電極和耳夾等構(gòu)成；腦電分析通信部分是該系統(tǒng)的靈魂與橋梁，起著解析腦電信號(hào)和傳輸信息數(shù)據(jù)的作用，由TGAM 腦電芯片和Arduino-UNO 分析模塊以及兩個(gè)型號(hào)分別為SPC-C 2.0 和HC-05 的主從藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成；腦電應(yīng)用部分是該系統(tǒng)人機(jī)交互的具體化對(duì)象，包含給失能患者提供信息的平板電腦以及家屬和醫(yī)護(hù)人員使用的遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

失能病患佩戴的電極帽、干電極和耳夾，持續(xù)采集頭部發(fā)出的腦電信號(hào)。采集到的信號(hào)通過(guò)線路傳輸給TGAM 芯片，進(jìn)行預(yù)處理；再經(jīng)過(guò)SPC-C 2.0 和HC-05 主從藍(lán)牙互連，傳輸給Arduino-UNO 芯片，開(kāi)展進(jìn)一步處理，解析TGAM 模塊封裝的Attention 專(zhuān)注度數(shù)值；接著再經(jīng)過(guò)物理COM 串口，傳輸給失能病患眼前的平板電腦上的SSVEP 模塊，深度處理rawdata，分析SSVEP 的特征值，匹配當(dāng)前病患注視的刺激源圖文的閃爍頻率，從而識(shí)別出病患以“意念”所選擇的信息圖文塊。然后平板電腦對(duì)所識(shí)別出的病患意念信息，作進(jìn)一步直觀化加工和語(yǔ)義補(bǔ)全，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，通知給遠(yuǎn)端的家屬或醫(yī)護(hù)人員信息終端。

4.2 數(shù)據(jù)采集

圖7：快速傅里葉變換實(shí)驗(yàn)樣例

數(shù)據(jù)采集模塊的主體部分是美國(guó)NeuroSky 神念科技的TGMA腦電解決方案。搭配上醫(yī)療專(zhuān)用腦電帽套件，可有效解決常規(guī)醫(yī)用的濕傳感器使用上的不便。而TGMA 模塊本身能夠?qū)崿F(xiàn)電路放大和A/D 轉(zhuǎn)換，可以過(guò)濾絕大部信號(hào)噪音，從而使干電極的輸出變?yōu)橛袃r(jià)值的腦電信號(hào)，并最后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。TGMA 腦電模塊處理后的信號(hào)包括8 個(gè)基本的EEG Power 數(shù)值，即Delta、Theta、LowAlpha、HighAlpha、LowBeta、HighBeta、LowGamma 和MiddleGamma，及三個(gè)出廠預(yù)設(shè)的內(nèi)置數(shù)值，即專(zhuān)注度Attention、放松度Meditation 以及信號(hào)強(qiáng)度Signal。三個(gè)出廠預(yù)設(shè)值的各自數(shù)值范圍均為1 到100，數(shù)值越高則說(shuō)明其預(yù)設(shè)值越大。如，兩個(gè)Attention 值比較，約定85 大于55。圖4 為T(mén)GAM 腦電模塊所實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)，圖中橫軸為時(shí)間，縱軸為信號(hào)數(shù)值大小。

4.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理模塊主要是完成對(duì)腦電信號(hào)的綜合分析，即通過(guò)TGAM 腦電模塊獲取Attention 專(zhuān)注度，并解析原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行SSVEP-BCI 腦電范式分析。其中，TGMA 腦電模塊以異步的串行字節(jié)流發(fā)送數(shù)據(jù)包。根據(jù)不同需求，可以通過(guò)諸如藍(lán)牙、USB 等通信串口進(jìn)行傳輸。該模塊將干電極貼近待測(cè)點(diǎn)，并使用雙面電機(jī)耳夾。兩個(gè)參考電極置于左右耳乳，用于持續(xù)獲取腦波電信號(hào)。TGAM 每秒發(fā)送約513 個(gè)十六進(jìn)制數(shù)數(shù)據(jù)包，其中分為大包和小包兩種，約512 個(gè)數(shù)據(jù)小包和1 個(gè)數(shù)據(jù)大包為一組，進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)包格式如圖5 和圖6 所示。

從圖5、圖6 可知，大包數(shù)據(jù)包內(nèi)含有信號(hào)強(qiáng)度Signal、專(zhuān)注度Attention、放松度Meditation 和8 個(gè)EEG Power 信號(hào)值。其中EEG Power 信號(hào)值由24 個(gè)字節(jié)組成，每三個(gè)字節(jié)為一組。而小包數(shù)據(jù)包中，xxHigh 和xxLow 組成TGAM 模塊采集到的原始腦電波信號(hào)數(shù)據(jù)rawdata。為了進(jìn)行SSVEP 分析，數(shù)據(jù)處理模塊使用TGAM 小包數(shù)據(jù)包中的xxHigh、xxLow 和xxCheckSum，經(jīng)過(guò)如下偽代碼操作，得到原始數(shù)據(jù)rawdata:

該系統(tǒng)的視覺(jué)刺激源的閃爍頻率選取范圍是5.99-29.95Hz?？紤]到腦電采集設(shè)備作業(yè)過(guò)程中會(huì)受到諸多干擾，例如工頻干擾和眼電等[3]，所以數(shù)據(jù)處理模塊需要對(duì)解析得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要是TGAM 腦電模塊自帶的電路放大和濾波。原始數(shù)據(jù)rawdata 經(jīng)過(guò)前期預(yù)處理后，能有效地排除掉噪音的干擾。為了進(jìn)一步提高SSVEP-BCI 特征提取精度，達(dá)到有效腦電控制目的，系統(tǒng)在離散傅立葉變換的基礎(chǔ)上采取快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）。如圖7 所示，借助特定系數(shù)的對(duì)稱(chēng)性和周期性，依照“分而治之”的策略，用遞歸的方法將長(zhǎng)序列的DFT 分解為短序列DFT，將大大降低計(jì)算量，并提高計(jì)算精度，運(yùn)算時(shí)間大約是TlogT。

4.4 人機(jī)互動(dòng)

人機(jī)交互模塊是系統(tǒng)的靈魂，遵循易上手、清晰簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互的原則。無(wú)論是語(yǔ)體失能病患使用的平板電腦，還是家屬和醫(yī)護(hù)人員使用的遠(yuǎn)程終端，都不存在分散用戶注意力的非必要元素，如動(dòng)態(tài)效果等。界面的功能描述突出關(guān)鍵，不隱藏于子菜單；界面操作符合人腦的直覺(jué)邏輯，無(wú)需反復(fù)的確認(rèn)；重要信息始終前置于屏幕，以免在操作上需要多次無(wú)意義的反復(fù)；每一級(jí)操作都給予使用者及時(shí)的反饋；使用微音效提醒和必要的線性振動(dòng)提醒[4]。

語(yǔ)體失能病患佩戴腦電采集設(shè)備，通過(guò)注視平板電腦上的信息圖文塊，誘發(fā)視覺(jué)刺激。一但所誘發(fā)出的腦電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)分析模塊實(shí)時(shí)處理后，匹配到刺激源圖文信息，屏幕即給予反饋，使患者明確成功完成了一次操作。每一級(jí)操作都可以直達(dá)腦電信息溝通的目的，方便病患與家屬或醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行無(wú)障礙信息溝通或生理需求提示。而家屬或醫(yī)護(hù)人員可通過(guò)遠(yuǎn)程終端（手機(jī)或電腦），使用鍵鼠或觸屏點(diǎn)擊的方式進(jìn)行終端操作。設(shè)備自帶的高清攝像頭組件，則可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，隨時(shí)隨地連接到腦電信息溝通系統(tǒng)，輔助視頻互動(dòng)。

圖8：SSVEP 刺激界面示意圖

4.5 視覺(jué)刺激模塊

視覺(jué)刺激模塊采取SSVEP-BCI 腦電范式。穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位作為BCI 系統(tǒng)常使用的一種信號(hào)范式，它是在人眼受到固定頻率超過(guò)3.5Hz 的視覺(jué)刺激時(shí)，大腦皮質(zhì)活動(dòng)將被調(diào)動(dòng)，導(dǎo)致類(lèi)似于刺激的周期性節(jié)律活動(dòng)。SSVEP-BCI 通過(guò)固定頻率的閃爍刺激誘發(fā)。而誘發(fā)產(chǎn)生SSVEP 信號(hào)的視覺(jué)刺激源通常包括光刺激源、圖形刺激源以及模式翻轉(zhuǎn)刺激源。依照具備多目標(biāo)、多任務(wù)的非侵入BCI模式的使用場(chǎng)景，本文系統(tǒng)采取常見(jiàn)的LCD 型刺激源硬件，更易于編程設(shè)計(jì)刺激形狀和刺激顏色等條件。但LCD 型刺激源產(chǎn)生的刺激頻率受到LCD 屏幕刷新率的限制。為了避免兩種刺激頻率難以區(qū)分，編程設(shè)計(jì)的刺激頻率不應(yīng)為倍數(shù)集合，并且設(shè)計(jì)的刺激頻率也應(yīng)該大于4Hz[5]。此外，由于過(guò)多檢測(cè)對(duì)象需要極高的識(shí)別精度，所以本文系統(tǒng)每層設(shè)計(jì)不多于五個(gè)刺激源圖像。比如，如圖8 所示，設(shè)置“幫助”、“溝通”和“娛樂(lè)”，分別以29.95Hz、14.98Hz 和5.99Hz的頻率閃爍，界面右側(cè)則是專(zhuān)注度指標(biāo)尺和返回鍵。

5 結(jié)束語(yǔ)

立足于解決語(yǔ)體失能患者與外界的溝通難題，本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種基于TGAM 模塊的腦電信息溝通系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用美國(guó)神念科技的TGAM 芯片，基于SSVEP-BCI 腦電范式，完成了從腦電信號(hào)采集，到腦電信號(hào)處理分析，以及腦電信號(hào)運(yùn)用的一整套腦波控制的標(biāo)準(zhǔn)化流程，實(shí)現(xiàn)了將腦波“意念”轉(zhuǎn)化為他人可直觀解讀的個(gè)人需求信息或意愿信息的目的。語(yǔ)體失能病患能夠通過(guò)該腦電信息溝通系統(tǒng)，與外界進(jìn)行有效交流。這必將提高醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的自動(dòng)化和信息化水平，在給予失能病患足夠的人文關(guān)懷的同時(shí)，能夠使家屬或醫(yī)護(hù)人員更有針對(duì)性地開(kāi)展護(hù)理和治療工作，減輕工作負(fù)擔(dān)和心理負(fù)擔(dān)，解決很多家庭的困擾，增進(jìn)社會(huì)和諧友愛(ài)。未來(lái)，可深入結(jié)合腦控信息技術(shù)和醫(yī)療保健需求，在進(jìn)一步提升腦電信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展腦電信息溝通系統(tǒng)的功能，發(fā)展為針對(duì)失能病患的全面生命管理系統(tǒng)，更好地服務(wù)人類(lèi)社會(huì)。