便携式脑机接口头环设备信号检测报告

作者：郑子龙

   脑电信号是亿万个神经元活动在大脑皮层的综合反映，信号以微伏为单位，是十分精密的人体体征信号。最近我发现社会和学界大量讨论便携式脑机接口头环，形成了一个热点话题。为了检验引发争议的赋思头环的脑电信号精度，我花了两天时间，在中科院心理研究所的脑电实验室进行了与医疗级别的脑电系统G.SHARA/G.Nautilus的对比测试。

  测试中，同一批受试者同时佩戴两套脑电系统（医疗级别脑电系统G.SAHARA/G.Nautilus和赋思便携式脑电检测头环），进行了平行测试实验。测试还使用了认知神经科学领域普遍使用的Neuroscan脑电系统与赋思头环进行了平行佩戴测试。

   G.tec公司（g.tec Medical Engineering）是1999年成立于奥地利的一家国际企业，该公司生产的脑电系统G.SAHARA/G.Nautilus被广泛认为具备医疗级别的精度和信号质量，已被应用于心理学神经科学研究、卒中后运动功能康复、假肢控制等临床和科研领域。根据德国研究者Radünt（2018）发表的论文，G.SAHARA/G.Nautilus系统是干电极脑电波仪器中信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）最高、性能最好的设备之一。该可移动（无线）生物电信号采集系统可采集64通道或以下的数据，通过了欧盟CE和美国食品药品监督管理局FDA认证。

  脑电波信号是波状的时间序列信号，其中包含了相位、频率等丰富的信号。对脑电波的分析，主要有时域 （Time Domain）、频域 （Frequency Domain）和事件相关诱发电位ERP（Event-Related Potentials）等几种方法，能从不同侧面揭示大脑认知活动相关的脑电波信息（参见Nunez et al., 2006）。

  测试结果发现，赋思便携式脑电检测头环与G.SAHARA/G.Nautilus信号的时域特征高度相似、频域能量分布曲线高度一致、快慢波比例算法（Pope et al, 1995）结果也高度一致。

检测方法：

   实验环境为北京中科院心理研究所脑电实验室（core facility），实验使用硬件设备见表1。

   受试者佩戴G.SAHARA/G.Nautilus电极帽，使用的电极点为前额中线电极Fpz，参考电极位左侧乳突，接地Ground电极位于参考电极后方。受试者同时佩戴赋思头环，其前额电极点位于g.tec电极Fpz正下方，距离约1.5 cm，参考电极位于左侧乳突，接地Ground电极位于参考电极下方。G.SAHARA/G.Nautilus（以下简称g.tec）采样率为500 Hz，赋思头环采样率为160 Hz。Neuroscan电极帽使用的电极点为前额中线电极FPz/Fz/FCz，参考电极为双侧乳突，均注射导电膏，电阻阈值为5千欧姆。Neuroscan系统仅用于平行佩戴测试。

Neuroscan平行佩戴测试

   受试者按照上述流程将设备佩戴好后，坐在椅子上，保持肩部以上肌肉放松，并尽量减少身体运动，以最大程度减少运动带来的噪音伪迹。

   检测实验由三部分组成：1. 睁眼放松（静息态）3分钟；2. 闭眼放松（静息态）3分钟；3.4位数的数学加减法3分钟；4.专业性说明文阅读3分钟。

数据分析：

  首先对采集到的脑电波数据进行基线矫正，由于采样率不同，先将g.tec记录信号降采样率到160 Hz，以保证两组信号采样率一致。带通滤波器均为0.1-60 Hz（陷波器 = 50 Hz）。再将g.tec与赋思便携式脑电检测头环数据根据时间戳（timestamp）进行时间对齐。预处理之后，分别从时域 (Time Domain)、频域 (Frequency Domain) 和快慢波比例算法 (如Pope et al., 1995) 三方面对信号进行平行分析。

（1）时域分析

   图1显示的是经过预处理之后，阅读实验部分的脑电波时间序列（时域信号），纵轴单位是微伏μV。图2进一步截取一个时长3秒眨眼集中的片段作为进一步示例。

图1. 阅读实验部分的脑电波时域信号对比

图2. 时长3秒的眨眼集中片段示例（时域信号）

   在确定了时域信号的相似性之后，进一步将时域信号分割为3秒的一些列片段epoch，对同一epoch内两套系统的时域信号进行相关分析（Pearson Correlation），得到的全时段平均相关系数为0.9197，即赋思头环与g.tec系统的时域信号相似度为92%（图3，横轴代表不同相关系数的个数）。

图3.时域信号3秒epoch内相关系数散点图

（2）频域分析

  颅外脑电波的常用频段一般在30 Hz以下。依据脑电分析常用流程（protocol），对四个频段进行了频域分析，分别是theta (4-7 Hz)，alpha (8-13 Hz)，beta (14-30 Hz)，gamma (30-60 Hz)，结果示例如下图（图4）。

图4. 阅读实验部分的脑电波频域信号对比

   结果显示，两套设备脑电数据四个频段的能量变化趋势高度吻合，赋思便携式脑电检测头环与g.tec对比没有明显的频域细节丢失。对同一时间段内两套系统的频域信进行Pearson相关分析，得到的全时段平均相关系数为0.9134，即赋思头环与g.tec系统的频域信号相似度为91%。

（3）快慢波比例算法分析

   赋思便携式脑电检测头环的主要应用，是基于脑电波的注意力/专注力解析。快慢波比例算法是认知神经科学领域注意力脑电指标的经典算法（Pope et al, 1995），常用的有theta-beta比例，beta-alpha比例，以及beta/(theta + alpha)。本测试使用g.tec和赋思头环数据，也进行了前述三项指标的对比分析，结果如下图所示（图5），快慢波比例值的吻合度非常高。

图5. 快慢波比例算法分析

检测结果：

  综上，在实验室条件下，对同一批受试者在同样的认知任务下同时、同步记录的脑电波数据，进行时域、频域、和快慢波比例算法等分析，发现赋思可穿戴脑电波头环的信号与医疗级别的脑电系统G.SAHARA/G.Nautilus所记录信号具有高度一致性，相关程度在91%-92%之间。

作者简介：郑子龙，认知神经科学硕士，目前就职于中国科学院心理研究所（任研究助理），在Journal of Neurolinguistics等国际学术杂志发表脑电波研究论文2篇。

参考文献

Radüntz, Thea. (2018). Signal Quality Evaluation of Emerging EEG Devices. Front Physiol. 2018; 9: 98.

Pope et al. (1995). Biocybernetic system evaluates indices of operator engagement in automated task. Biol. Psychol. 40, 187–195.

Nunez et al. (2006) Oxford University Press, Electric fields of the brain: the neurophysics of EEG (2^nd Ed.). New York, pp163-166.

Luck, Steven J（著）, 洪祥飞 刘岳庐（译）《事件相关电位基础》（第二版），华东师范大学出版社