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便携式耳道脑电采集系统设计与实现

便携式耳道脑电采集系统设计与实现

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作者：李子腾河北大学

学位级别：硕士

脑-机接口(Brain-Computer Interface,BCI)技术可以帮助人脑与外部设备实现数据交互,通过采集脑电信号(Electroencephalogram,EEG)将大脑活动转换为电信号,并利用算法和软件对脑电信号进行分析,最终转化为控制指令,实现对外部设备的控... 详细信息

脑-机接口(Brain-Computer Interface,BCI)技术可以帮助人脑与外部设备实现数据交互,通过采集脑电信号(Electroencephalogram,EEG)将大脑活动转换为电信号,并利用算法和软件对脑电信号进行分析,最终转化为控制指令,实现对外部设备的控制。近年来,计算机科学、神经科学和生物医学工程的飞速发展为BCI技术的广泛应用提供了强大支持,尤其是在医疗康复和智能控制领域。目前,主流的脑电采集系统通常通过安装在头皮上的脑电电极获取脑电信号,该方式能够获得高质量的脑电信号,但是实验前期准备时间较长且采集设备体积较大,不利于BCI设备的实际应用。耳道脑电采集是一种通过放置在耳道内的电极来获取脑电信号的技术,该技术使脑电采集更为灵活,有望推动BCI技术和神经科学研究领域的进步。本文针对头皮脑电采集在实际应用中准备时间长、不易携带以及用户体验感差等方面的不足之处,研制了一款便携式耳道脑电采集系统。对系统进行了性能测试和实验验证,并对耳道内采集到的稳态视觉诱发电位(Steady-State Visual Evoked Potentials,SSVEP)脑电信号进行了分类研究。具体研究内容如下:(1)为解决耳道电极制作过程复杂、佩戴不舒适等问题,设计了两种不同材质的耳塞式脑电电极:记忆海绵耳塞式脑电电极和软硅胶耳塞式脑电电极。这两种电极在确保脑电信号高质量采集的同时提升了用户的舒适度,缩短了实验前期的准备时间,使用这两种电极能够满足多种应用场景的需求。(2)目前传统的脑电采集设备体积较大且不易携带,主要局限于在实验室环境中使用。为了将脑电采集技术应用到日常生活中,本文研发了一款便携式耳道脑电采集设备,配备两种不同材质的耳塞式脑电电极,能够有效获取脑电信号。该设备使用低功耗、高精度的电生理信号采集芯片RHS2116作为采集前端,搭配ESP32-SL主控模块进行脑电数据的采集与传输,采集设备通过蓝牙将数据发送至接收端,接收端将接收到的数据通过串口发送至电脑上位机。通过测试电极接触阻抗、系统功耗、输入噪声以及蓝牙传输丢包率验证了该系统的性能。此外,进行了眨眼耳道脑电实验、Alpha节律实验和听觉稳态诱发电位(Auditory Steady-State Responses,ASSR)实验,验证了该脑电采集系统能够从耳道内采集到有效的脑电信号。(3)使用本文所设计的便携式耳道脑电采集系统进行耳道内SSVEP脑电信号的采集和分类研究,通过耳道内SSVEP脑电信号和头皮SSVEP脑电信号的功率谱对比,验证了耳道脑电信号进行SSVEP分类的可行性。同时,采用一种具有紧凑卷积神经网络结构的EEGNet模型对耳道内SSVEP脑电信号进行分类,在2.5 s的窗口时长下,该模型的平均分类准确率达到了85.43%,进一步验证了该耳道脑电采集系统在基于SSVEP分类应用中的可行性。

关键词：脑-机接口耳塞式脑电电极耳道脑电采集稳态视觉诱发电位

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便携式耳脑电采集系统

便携式耳脑电采集系统

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作者：黄振祥电子科技大学

学位级别：硕士

脑电是大脑中大量神经元放电的总体反映,通过研究脑电信号可以通过这种反映来间接的了解大脑、诊断神经系统疾病,它也可以应用于神经科学、认知科学和脑机接口领域。脑电的信号特征和电极的摆放位置大脑的状态和人当前所受的外界刺激都... 详细信息

脑电是大脑中大量神经元放电的总体反映,通过研究脑电信号可以通过这种反映来间接的了解大脑、诊断神经系统疾病,它也可以应用于神经科学、认知科学和脑机接口领域。脑电的信号特征和电极的摆放位置大脑的状态和人当前所受的外界刺激都有密切的联系。例如在稳态听觉实验时,听觉刺激的调制模式也会在脑电信号中有所反映。耳-脑电图是一种通过耳道皮肤上观察到的微小电压变化来测量大脑活动动态的方法,通常是将电极放在头皮上。耳道脑电采集设备专门放置在电极在外耳,与全头皮脑电采集设备相比,它具有很好的隐蔽性和便利性,但这也降低了信号幅度,和脑活动区域的可测量范围。本论文设计的是耳-脑电图采集系统,该系统具有耳道脑电采集显示存储、脑电数据标签、声音刺激实验等基础功能。耳道脑电采集设备为采用单极导联的两通道采集设备,可以通过四种方式连接到电脑端并进行耳道脑电数据的传输、保存和分析工作。该设备使用Wi-Fi主控芯片内部定时器将采样率固定为1KHz,Wi-Fi主控芯片在与电脑端形成网络连接后,其内部定时器将被打开,定时器每隔1毫秒使用串行总线的直接存储访问模式从模数转换器读取两个通道的脑电数据。在主控芯片读取到相应数据数据后,将使用本文提出的跨平台脑电传输库（eeg UDP协议）基于网络中的应用层Socket传输自定义帧格式的脑电数据,最后本文提出了基于低延时的方法来为后续的事件相关电位实验提供脑电数据标签的功能。为保证耳道脑电采集系统的可用性,本文对脑电放大器的各种性能进行测试,并且对电脑与主控芯片的Wi-Fi网络传输和声音刺激播放延时进行校正和测试。此外,本文使用所设计的稳态听觉诱发电位和听觉事件相关电位来对耳道脑电采集系统实验验证,耳道脑电和常规脑电的对比结果也表明采集系统能够完成信号采集和数据标签功能并且此研究为耳道脑电图的便携式的应用场景,也为后续真正将脑机接口系统带入到实际应用中打下基础。

关键词：耳道脑电采集脑电放大器便携式Wi-Fi 事件相关电位

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