NeuroSky(神念科技)的脑波技术研究
作者：KooHyoung Lee 神念科技首席技术官
生物信号的定义
生物信号是从生物体中测量到的信号，也通常被用来特指生物电信号。

组织，器官或神经系统等细胞系统间存在电位差而产生电流，产生了生物电信号。

典型的生物电信号有心电，肌电，脑电及眼电信号。

皮肤电阻和心律也被认为是生物电信号，尽管它们一般不直接通过电位差测量得出。

脑神经信号的定义
大脑是由脑神经元组成的，因此，脑神经信号是和大脑相关联的生物电信号。

脑电图运用安置在头皮上的电极来测量脑神经元放电在头皮上产生的电位差，是用来获取脑电波信号最常见的方法。

脑电波的测量
通常情况下，脑电波是通过安置在头皮上的电压传感器采集的。

大脑中有数以百亿计的神经元，每个神经元都可以产生微小的电场。

大量相似的微小电信号可以被放置在头皮上的电极检测到。

因此，脑电波是许多微小信号的集合。

成年人的脑波信号强度范围在1微伏到100微伏之间，用硬膜电极，例如针状电极测量的硬膜下信号大约是10到20 mV.
快速傅里叶变换是用来研究脑波信号组成的常用方法。

快速傅里叶变换可以把信号从时间域转换到频域，这样我们就可以观察得到脑波频率的分布。

脑波的频率分布会由于精神、情绪状态及电极的位置而变化。

单极和双极导联式两种常用的脑电导联方式。

单极导联收集一或多个位置的脑电信号，并把它们与一个共同参考电极相比较。

参考电极应放在一个不受脑波信号影响的位置。

单极导联的优点是参考电极提供给每个电极以相同的基准点，让不同电极的信号能作有效的比较。

其缺点是很难找到理想的参考电极放置位置，医学上常用的参考位置是耳垂。

另外，单极导联容易受到心电，肌电的干扰。

双极导联设置不包括一个共同参考电极。

头皮上任何两点脑电信号都可以直接作比较，这一比较的过程中去除了两个信号中相同的部分，只余下不同的部分。

因此双极导联的缺点是两点间的一些共同信息会丢失掉。

国际标准10-20电极系统提供了标准脑电图命名和定位方案。

最初的10-20系统仅包括19个电极，后来扩展到70个标准电极。

一般情况下其中的一个电极作为参考电极，位置通常在耳垂或耳朵的乳突处。

图一.初始的国际标准10-20电极系统
正常脑波
脑电通常从频域方面描述。

基于外部刺激和内在精神状态，脑波的频域幅度变化很大。

Delta, theta,alpha, beta and gamma波是不同频率脑波的名称，它们与下文中描述的许多大脑状态有关。

Alpha波
Beta波
Gamma波
Delta波
Theta波
图二.脑波信号模式
表格1. 脑波频段和相关的大脑状态
脑波干扰
脑波信号很微弱（范围是1到100μV), 因而很容易受到其他发电物体的干扰。

所有非大脑发出的电信号统称为干扰信号。

它可分为两大类：生理性和非生理性干扰。

身体上任何能产生电场的部位都能产生生理干扰，包括心脏，眼睛，肌肉和舌头。

甚至出汗也能改变皮肤电阻从而产生干扰。

非生理干扰包括交流电设备产生的工频干扰，身体或电极移动产生的机械干扰。

NeuroSky（神念科技）脑电系统的脑波信号
NeuroSky（神念科技）为脑波技术的消费者开发出了干式传感器系统。

神念科技的系统包括干式电极及专门为干式电极设计的电子电路。

NeuroSky（神念科技）已经做了干式脑波的基准测试，把干式传感器系统测量的脑波信号与Biopac系统发出的信号相比较。

Biopac是广泛应用在医学和研究应用程序的湿式电极脑电系统。

测试时将干式传感器与Biopac两个系统的电极安装在了同一个位置，紧紧的靠在一起但并不互相干扰。

NeuroSky（神念科技）的脑电系统使用的是镀金的干式电极，而Biopac用的是一次性银-氯化银电极加导电胶。

我们测试两个系统所记录被测者在不同状态下的脑波，包括放松状态，冥想状态，警觉状态，以及眨眼干扰下的状态。

下图是神念和Biopac系统的脑波信号在人处于放松状态下的比较。

图三. NeuroSky（神念科技）脑电系统和Biopac系统的原始脑波信号
红线代表的是Biopac系统的原始脑波信号，蓝线是神念科技系统的脑波信号。

两个系统在人处于放松状态及受眨眼的干扰上显示了相似的脑波模式。

接下来两系统的原始信号又以10秒区间作更精确的比较。

数据分析的区间可以在30秒的测试数据中从第15到第25秒间任意选择。

图四. 休息状态下的原始脑电图信号
为比较两个系统的脑波信号的特点，现在一秒钟内对每个系统作原始脑波信号的快速傅里叶变换。

然后生成的密度值的相关系数会在1到30HZ的频段内计算出来。

表格二：快速傅里叶变换结果的相关系数值
表格显示，两个脑波信号的功率谱相关系数很高。

这说明两个脑波信号的频数分布很相似。

下图中，原始脑波信号及两个系统的快速傅里叶变换用图解的方式展现了出来。

在原始脑波图形中，根据两个系统的不同采样率，每秒钟有三个数据点的差距。

（NeuroSky(神念)的采样率是128Hz，Biopac的采
样率是125Hz.)
图五. 原始脑波和功率密度值。

（15-16秒）
图六：原始脑波和功率密度值（17-18秒）
图七. 原始脑波和功率密度值。

（19-20秒）
图八. 原始脑波和功率密度值。

（21-22秒）
接下来是两个系统在人处于高度集中状态下的比较。

信号是在30秒的测试数据中从15到19秒期间任意抽取的。

像之前一样，对每一秒进行快速傅里叶变换，并计算出相关系数。

接下来的结果显示神念科技和Biopac 系统的脑波信号非常相似。

图九. 专注状态下的原始脑波
(红线代表的是Biopac, 蓝线代表的是神念科技) 表格3. 快速傅里叶变换结果的相关系数
图十. 原始脑电图和功率密度值。

（16-17秒）
图十一. 原始脑电图和功率密度值。

（17-18秒）
图十二. 原始脑电图和功率密度值。

（18-19秒）
下面的数据用图解的方式对两个信号的平均功率谱作了对比。

功率密度分布显示了一样的模式，除了低频段部分Biopac 系统比神念科技系统的要高。

原因之一可能是Biopac 数据中的低频波动噪音，Biopac 数据在前置放大器和电极间使用了3尺长的电线，而神念科技系统（耳机）使用的则只有几寸长。

两个系统对眨眼干扰的反应也做了比较。

下面的图形展示了神念科技和Biopac系统都对眨眼信号非常敏感。

图十四.眨眼干扰下的原始脑波信号
另一个实验是在一个独立的实验室完成的，将NeuroSky（神念科技）的脑电系统与BioSemi系统相对比，结果显示如下：（结论是？）
图十五. 实验结果
实验结果表明NeuroSky(神念科技)的脑电系统和广泛应用于医学领域的BioSemi系统同样精准。

两个系统在睁眼和闭眼放松状态，及在牙关紧闭和头部移动的干扰下显示出了很大的相似性。

快速傅立叶变换结果表明这两个系统对探测代表精神状态的脑波频带同样敏锐。

概述
本文对NeuroSky(神念科技)脑波系统的干式传感器检测到的原始脑波信号与Biopac系统湿式传感器检测到的信号进行了比较，并用快速傅里叶变换比较脑波信号的特征，尤其是功率谱。

结果表明NeuroSky(神念科技)系统的脑波信号和Biopac系统具有同样的精准度。

Biopac系统的脑波在低频带时显示出较多的噪音。

这可能是由电极和前置放大器间的电线较长造成的。

在Biopac系统里电线的长度是3尺，而在神念的系统中只有10寸。

而且神念的脑波系统还把电线是固定起来避免脑波测量时的移动。

结果证明神念的脑波系统有更强的抗噪力，使其在现实生活环境和消费品应用软件的使用上有很大优势。