皮下植入脑电波分析及增强器

华立群

上海交通大学电子信息与电气工程学院

硕士研究生

1　概要描述

1.1　脑机接口技术的实现

脑机接口（brain-computer interface, BCI）技术作为一种连接脑部和外部电子设备的实时通信系统，对于计算机和生物医学工程等领域早已不再陌生，这一技术最基本的硬件设备——脑电波传感器的检测电路早在20世纪80年代就曾被提出。而脑机接口技术得以实现的原理在于，当大脑产生不同的想法时，脑部神经系统的电活动也会发生相应的变化，这种电波变化属于可以侦测到的信号，通过固定在头部的导电电极去感应神经元活动通过离子传导至大脑皮层的微小电压变化，并把此电压变化作为人脑形成动作意识之后和动作执行之前的特征信号，通过使用转换算法对这些特征信号进行分类识别，辨别出产生此类脑电波变化的动作意图，同时对其进行编程，即可实现在不依赖肌肉和外围神经的情况下，将人脑的想法翻译成命令信号传达到外部设备上使其驱动运行。

图1　BCI系统示意图

1.2　人体芯片与脑电波传感器相结合

脑电图是通过脑电波传感器记录的有关脑细胞群的自发性电活动，它反映了大脑的各种功能状态，包含了大量的生理与病理信息，其图形包括振幅、相位、周期等基本特征。目前绘制脑电图的导电电极主要有三类：一是常用于医院研究的湿电极，外观是帽子模样，内置依照10 ～ 20系统放置的若干电极；二是常用于健康医疗的干性电极，外观是耳机模样，电极位于额头前端的金属触点，但数据精度不够理想；三是比较前沿的植入式电极阵列，外观是芯片型针状阵列，直接埋入头皮使用。三者的原理异曲同工，通过电极获取微弱的电压变化，经金属导线接连到脑电图机滤波、放大信号，把脑细胞运动引起的电位差的波形记录下来，成为脑电图。

然而由于脑电波产生的电压变化是微伏级，且头部运动、空气湿度和面部肌肉运动等形成的干扰信号幅值大于微弱的电压变化，脑电图的实际绘制有着不小的误差。因此，结合近些年纳米级芯片和皮鞋植入技术的发展，提出在靠近耳侧的头皮中植入人体芯片，代替现有电极去检测脑电波的变化，增强并解析所得信号，并通过芯片中集成的通信模块对装有相应信号接收传感器的家用电器进行远距离隔空控制，完成如开关电冰箱、电视机换台、睡眠自动熄灯等操作。随着微小电脉冲技术和去噪等数据处理能力的提升，把脑电波传感器做成微型植入式芯片将不易受各种外界变化的干扰，人类也能真正实现意念控制的壮举。

2　应用意义与前景

皮下植入脑电波分析及增强器完全不需要肌肉和外围神经的直接参与 ，也不需要任何便携设备的配合使用就能实现大脑和外部电子设备的通信， 这对完全没有活动能力的患者，如患有脑中风、肌肉萎缩症、原发性侧索硬化及脑瘫等疾病的人们有重大意义。利用这一技术，四肢瘫痪患者可以通过脑电波直接控制机械臂去移动轮椅或者拿杯子喝水，而对于连说话能力也失去的闭锁综合征病患，这一技术能使他们表达自己的意愿、重新获得基本沟通能力，除此以外，此项技术还能帮助到骨折等需长期康复阶段病人的生活起居。

皮下植入的方式大大提高了脑电波控制的便携性，从而使得在军队、国防等领域也能形成一定应用，尤其是在特殊环境中满足对外部设备的控制，在航天航空中同样有相当的应用，例如飞行员用大脑控制飞机的起飞和降落。

这一技术便携化的同时，也意味着它有商业化的潜力，无论是在控制可穿戴设备、优化游戏娱乐体验，还是隔空操作大型电器上，都有很大的价值。甚至在未来物联网的布局中也能发挥意想不到的作用，从而增加生活的便利性，提高生活的幸福感。