允許患者在家中進(jìn)行診斷和護(hù)理的EEG頭盔

通過使用創(chuàng)新的傳感器技術(shù)，IMEC研究人員已經(jīng)證實能夠開發(fā)出可以捕捉腦電波的頭盔。

讓我們想象有這樣一款舒適且輕便的頭盔，在戴上它之后，它就會馬上開始捕捉佩戴者的大腦信號。這款頭盔不用外接電線和外置其它電子元器件，在頭盔已經(jīng)包含了全部：一款完整的、靈活的EEG（腦電圖）系統(tǒng)。

頭盔內(nèi)的系統(tǒng)能依據(jù)應(yīng)用要求對記錄下的腦電波進(jìn)行處理。處理結(jié)果被無線傳送至某個基站（例如，若是臨床使用，會被送至醫(yī)生的電腦），或被傳送給某個游戲的游戲控制臺。頭盔的設(shè)置簡單，沒有冗長的定制程序。并且頭盔可以依據(jù)佩戴者的腦袋形狀進(jìn)行調(diào)整，以便取得最佳掃描結(jié)果。這類EEG頭盔能在當(dāng)?shù)厮幏烤陀袖N售，電池充電一次就可持續(xù)工作數(shù)周甚至數(shù)月。

這樣的頭盔有可能最終取代目前的EEG系統(tǒng)，包括醫(yī)院使用的掃描儀以及那些用于非臥床EEG掃描的掃描儀。但后者（例如，被用于監(jiān)測呆在家中的癲癇患者的掃描設(shè)備）仍然十份笨重。雖然與頭盔差不多，但它們必須將頭盔通過電線連接到和筆記本差不多大小的監(jiān)測匣。對于患者而言，這只不過是把把醫(yī)院轉(zhuǎn)移到了家里，與能支持他們自行安裝并且佩戴舒適的無線頭盔監(jiān)測器相比差得遠(yuǎn)了。

此外，未來推出的無線EEG頭盔還應(yīng)該可以針對新應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計：例如，對小車和貨車司機(jī)進(jìn)行瞌睡監(jiān)測、在家里進(jìn)行廉價的高質(zhì)量睡眠監(jiān)測、用于認(rèn)知療法的生物反饋應(yīng)用（用于治療焦慮癥、成癮），或工作場所的情緒監(jiān)測應(yīng)用。此外，這類無線EEG頭盔還可以被用于人腦-電腦接口應(yīng)用領(lǐng)域---通過思想交流而非人體接觸來實現(xiàn)駕駛操作。

首批產(chǎn)品和更多挑戰(zhàn)

我們距成功開發(fā)出一款舒適的無線EEG頭盔究竟還有多遠(yuǎn)？目前市場上已經(jīng)推出了一些無線EEG頭盔產(chǎn)品，大多數(shù)供游戲使用。它們可以執(zhí)行我們想象中的無線EEG頭盔的一部分指示要求，但不能同時執(zhí)行所有指示。這些系統(tǒng)的重要意義在于它們提出了新的可能性和用途，并將推動對低功耗電子和應(yīng)用整合的進(jìn)一步研究。

要開發(fā)出理想的產(chǎn)品，需要解決的重要挑戰(zhàn)之一是自主權(quán)，或者說使用時間，特別是在采用無線電波的情況下。目前，大部分系統(tǒng)的電池會在最多12個小時內(nèi)耗盡。盡管12個小時對于有些應(yīng)用而言已經(jīng)足夠，但無人護(hù)理非臥床監(jiān)測，要求能在幾周或幾個月內(nèi)進(jìn)行自主測量，而不是僅僅能自主工作幾小時。由于目前的無線EEG頭盔產(chǎn)品使用的零部件都是采用商用現(xiàn)貨，因此，目前已有的商用低功耗電子器件的實際功耗與無線EEG頭盔或舒服的人體傳感器迫切需要低功耗電子元器的理想功耗相比，還存在1～2個數(shù)量級的差距。

另一個挑戰(zhàn)是智能性。大部分現(xiàn)有系統(tǒng)都只能掃描原始數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至某個基站或電腦進(jìn)行濾波和分析，而不能由傳感器本地完成處理。請注意，生物醫(yī)療信號的質(zhì)量通常在很大程度上取決于能否有效濾除人為干擾或信號中的毛刺，這些干擾有可能是因為佩戴者走動所導(dǎo)致。若直接從傳感器下手，則能最有效地檢測和濾除這些人為干擾。但這樣做要求額外的測量和處理，從而增加了降低功耗的難度。

還有一個挑戰(zhàn)就是產(chǎn)品的微型化。終端產(chǎn)品必須由體積小、重量輕的傳感器組成，這樣佩戴者才能感覺舒適，甚至戴上之后都不會有感覺。想一想那些可能被要求必須8小時不間斷佩戴瞌睡監(jiān)測器頭盔的公交車司機(jī)。若佩戴頭盔會導(dǎo)致佩戴者存在任何壓力、重量或不適，那么頭盔監(jiān)測器將會迅速舍棄。最后一個挑戰(zhàn)是，如何讓大家都能買得起這樣的頭盔監(jiān)測器，這就要求以低成本進(jìn)行批量生產(chǎn)，有可能需要采用單芯片解決方案。

演示設(shè)備

IMEC & Holst中心的科學(xué)家們正在努力對未來人體傳感器使用的基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行研究，例如，本文中所述的EEG頭盔。事實上，他們已經(jīng)搭建了好幾款演示產(chǎn)品。每推出一代產(chǎn)品，他們就朝著舒適、自治、以用戶為本的傳感器邁進(jìn)了一步。

IMEC最新推出的一款演示產(chǎn)品是一款頭盔式EEG系統(tǒng)，其中所用到的全部電子零部件，包括生物電勢ASIC、無線電波、控制器芯片和電源電路，都被封裝在尺寸為25×35×5 mm的小型無線EEG頭盔中。依據(jù)使用情況的不同，該頭盔目前能支持自主工作1.5～4天。該版本無線EEG頭盔所取得的突破之一就是，使用了干電極，這樣患者就可以在家中自行使用該頭盔。

在能由傳感器測量的諸多生物參數(shù)中，EEG信號特別顯眼，因為要測量EEG信號特別難。EEG信號的振幅非常?。ㄍǔＴ?～20 µV），并且頻率范圍非常寬（從0.1～100 Hz）。為了記錄下如此小的振幅，傳感器需要低背景噪聲。這款演示頭盔設(shè)計采用一個特別設(shè)計用于捕捉EEG信號的8通道超低功耗模擬讀數(shù)ASIC。該芯片的功耗僅為200 µW，并且具有高達(dá)120 dB的共模抑制比和極低的噪音（輸入?yún)⒖荚胍魹?5 nV/√Hz）。在輸入阻抗為1GΩ的情況下，可實現(xiàn)上述性能。

如果我們希望這類頭盔能被長期用于監(jiān)測，那么使用簡單和使用者能自行設(shè)置是核心要求。標(biāo)準(zhǔn)EEG設(shè)備采用凝膠來實現(xiàn)電極和佩戴者頭部的良好接觸。但是這樣做使得操作麻煩且需要他人協(xié)助才能完成。干電極不需要任何凝膠就可以和頭皮形成良好接觸。當(dāng)然，使用干電極會導(dǎo)致高電極偏置和阻抗增大。因此，需要在設(shè)計放大器時考慮并克服這些增加的問題。此外，在需要低接觸阻抗的情況下，可以將電極注上凝膠。

為了達(dá)到最大程度的自主權(quán)，設(shè)計時必須選擇具有低靜止和漏電流的元器件。部分系統(tǒng)在不需要的時候會被關(guān)掉，例如阻抗測量。當(dāng)MCU處于低功耗模式時，數(shù)據(jù)可以從ASIC轉(zhuǎn)移到微控制器（MCU）存儲器。通過中斷指令，可以將MCU從低功耗模式下激活。最后，無線電波有一定的占空比。

該監(jiān)測頭盔對實際EEG信號的信躁比為25dB。若對采樣頻率為256 Hz的一路通道進(jìn)行持續(xù)記錄和無線傳送，則整個系統(tǒng)的功耗為3.3 mW；若對采樣頻率為1024 Hz的8路通道進(jìn)行持續(xù)記錄和無線傳送，則整個系統(tǒng)的功耗為9.2 mW。這樣，一節(jié)100 mAh的鋰離子電池可以供無線監(jiān)測頭盔自主工作1.5～4天，具體取決于不同的工作模式。

演示應(yīng)用：只有想不到，沒有辦不到

研究人員搭建了一系列應(yīng)用來論證和測試IMEC超低功耗生物醫(yī)學(xué)傳感器，例如，前面所說到的EEG頭盔。這些演示產(chǎn)品解釋了這類傳感器在未來的病人護(hù)理和其它醫(yī)療以及康復(fù)應(yīng)用中能作何種用途。舉一個包括EEG傳感器的應(yīng)用例子：一款舒適的睡眠深度監(jiān)測器，該設(shè)備能夠取代醫(yī)院的睡眠實驗室，在家中完成對患者睡眠階段的檢測。該頭盔上有三個傳感器節(jié)點(diǎn)，用來測量2路EEG通道、2路EOG（眼電圖）通道和1路EMG（肌動電流圖）通道。比利時的查內(nèi)爾大學(xué)醫(yī)院中心睡眠實驗室以商用現(xiàn)貨系統(tǒng)做為參考標(biāo)準(zhǔn)，對該系統(tǒng)進(jìn)行了評估。結(jié)果表明，這款無線頭盔可以取代現(xiàn)有的用于監(jiān)測睡眠階段的監(jiān)測系統(tǒng)。

EEG傳感器的另一個應(yīng)用。由藝術(shù)家Christoph De Boeck完成的一個創(chuàng)意，被命名“鋼鐵天篷/Steel Sky”。De Boeck將80片鋼瓦片附著在一個大天花板上，在每個鋼瓦片的背面是一個金屬引腳和減振架?？煞謩e驅(qū)動每個金屬引腳來敲擊鋼瓦片，然后由減振架對聲音做進(jìn)一步修改。參觀者需佩戴可檢測佩戴者腦電波的EEG頭盔，EEG頭盔會將其腦電波發(fā)送至與鋼瓦片引腳和減振架相連的一臺計算機(jī)。然后，由參觀者的腦電波驅(qū)動鋼瓦片后的引腳，形成高低節(jié)奏。

第三個應(yīng)用是“想法閱讀器”—一款可以翻譯大腦電波的頭盔，用于幫助佩戴人員拼寫其腦中所想的單詞和詞組。佩戴者坐在閃爍交替橫、堅字母組的監(jiān)測器前面。如果他發(fā)現(xiàn)了他希望使用的字母，EEG監(jiān)測器就依據(jù)其腦電波挑出與之相符的字母。該系統(tǒng)演示了一款便攜的、佩戴舒適的、支持智能文字和語言交流的設(shè)備，可以幫助肌肉殘廢（如，腦癱或說話或語言存在障礙）的患者進(jìn)行交流