最近我对EEG脑电波信号的研究
[paragraph]

之前开坑说打算研究脑电波输入法的,但是因为工作也比较忙,只能短短续续地开展一点研究,不过我比读书党的好处就是没有作业和不用准备考试XD,并且还能掌握不少资源。
所以,所以慢慢来,先从单通道开始来。


首先先介绍一下一些生物电信号的差别,什么是ECG、EEG、EMG、EOG。


ECG大家不陌生,就是心电图。


EEG是脑电图,也就是electroencephalography,是人体脑电波电的时域图,这个是我现在研究的。典型的EEG图如下,一下来自百度百科


http://baike.baidu.com/link?url=9yntgO9K9GAS10MGsElPWUmKDon_BLQ3A35ytf7MAZam0QFw9oQlPPLn__Rb86-xgMLGBBWLGhv6EdgXaYMEsq


Spike-waves.png




EMG和EOG分别是肌电图和眼电图,其中EOG几乎可以看做是一个低通滤波的前额EEG信号


关于EEG,按照频域来分,主要分为以下几个频段,下面的我就复制网络文献了。


δ波



频率为1~3Hz,幅度为20~200μV。当人在婴儿期或智力发育不成熟、成年人在极度疲劳和昏睡或麻醉状态下,可在颞叶和顶叶记录到这种波段。



θ波



频率为4~7Hz,幅度为100~150μV。在成年人意愿受挫或者抑郁以及精神病患者中这种波极为显著。但此波为少年(10-17岁)的脑电图中的主要成分。



α波



频率为8~13Hz(平均数为10Hz),幅度为20~100μV。它是正常人脑电波的基本节律,如果没有外加的刺激,其频率是相当恒定的。人在清醒、安静并闭眼时该节律最为明显,睁开眼睛(受到光刺激)或接受其它刺激时,α波即刻消失。



β波



频率为14~30Hz,幅度为5~20μV。当精神紧张和情绪激动或亢奋时出现此波,当人从噩梦中惊醒时,原来的慢波节律可立即被该节律所替代。。

[修改于 4 年前 - 2016-05-27 22:26:18]

来自 电子技术
2016-5-22 20:10:51
smith(作者)
1楼
从上面的内容来看,EEG是uV级别的小信号,如何才能探测到EEG信号呢,肯定是需要、电极、放大器、预处理、示波器(或者AD采样)才能将信号量化的,下面介绍关于电极的部分的文献介绍(来自网络)



安置在头皮上的电极为作用电极(active electrode)。记录到的脑电信号即是作用电极与参考电极的差值。
放置在身体相对零电位点的电极即为参考电极(reference electrode),也称为参考电极或标准电极。如果身体上有一个零电位点,那么将参考电极放置于这个点,头皮上其它部位与该点的电极之间的电位差就等于后者的电位变化的绝对值。但这种零电位点理论上指的是机体位于电解质液中时,距离机体无限远的点,而实际上我们能够利用到的点是距离脑尽可能远的身体上的某一个点。因此,如果选躯干或四肢,脑电中就会混进波幅比脑电大的多的心电,这也是脑电记录使用耳垂、鼻尖或乳突部作为参考电极的原因。


以下是我使用的电极,如果只有一个通道的话,只需要两个电极,目前我使用的是这个镀金的干电极、采用鼻尖为地,这个电极也是openbci项目采用的电极


IMG_20160522_200812.jpg
TB2MuqEfpXXXXcXXpXXXXXXXXXX_!!613219900.png
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smith(作者)
2楼
接着就是采集最重要的部分,放大器的预处理的设计。



首先第一点,EEG信号很弱,需要增益高的运放来放大,但不能一次就放大,第二点,EEG信号容易受到50Hz的工频交流电的影响,在其他国家的话是60Hz,可以见我前一个帖子,如果直接把电极连接到示波器的话,那么测试出来的几乎全是50Hz的干扰信号。
除此之外,还要滤掉0.5Hz一下的极化电平的影响。


综上所述,我们可以得到EEG测量的模型


电极--->前置放大---->HPF---->LPF------>增益补偿----->示波器,因此关键的是设计中间的那三个。


好了,废话不多说,上图,直接上最终的版本
amp.png
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smith(作者)
3楼
接着解释一下各部分的作用。
前置放大,采用了一块叫做AD620的放大器,这个实际上就是一个普通的三运放仪表放大,它的5和8脚可以接一个电阻,增益的计算方法是:


gain =49.4 kΩ/R  + 1   R为5和8脚之间的电阻,第一级的增益不要太高,通常在100~500以内比较好
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smith(作者)
4楼
HPF为了方便,直接就采用了电容C9和电阻R12构成的无源器件了,计算其截止频率为0.5Hz
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smith(作者)
5楼
下面着重介绍对LPF的仿真,LPF是使用uA741的有源器件,我用pspice进行了仿真

lowpass.png



发现PSpice只有理想运放,有点郁闷,因此只好用了理想运放进行了仿真,截止频率在30Hz以上就够了



lowpassresult.png
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6楼
做得不错。
输入用仪表应该还考虑到了需要较高输入阻抗吧。

50Hz为什么不考虑用notch filter呢?是有什么考虑吗?

最后,是不是要考虑一下ESD的问题?
我们实验室常用AD8421(一片带宽且很精密的仪放)作为输入buffer,曾经因为静电损坏过多片,后来全部加上了ESD保护二极管,就没出现过问题。
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smith(作者)
7楼
好了,接着就是漫长的制作过程了,第一版是直接使用面包板的

IMG_20160430_173130.jpg




接线是那个杂乱啊
IMG_20160508_215432.jpg



用面包板的版本测了一些波形的,后面补充
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smith(作者)
8楼
引用 justinpiggy:
做得不错。
输入用仪表应该还考虑到了需要较高输入阻抗吧。

50Hz为什么不考虑用notch filter呢?是有什么考虑吗?

最后,是不是要考虑一下ESD的问题?
我们实验室常用AD8421(一片带宽且很精密的仪放)作为输入...
嘿嘿,我后面还有更高级的玩意
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9楼
引用 smith:
嘿嘿,我后面还有更高级的玩意
难道是数字notch filter?
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smith(作者)
10楼
面包板验证完成几天后,工作不忙了,从床下面翻出吃灰很久的烙铁,做了稳定一些的版本

IMG_20160522_192319.jpg
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smith(作者)
11楼
采用这个版本观测到的波形

IMG_20160522_192237.jpg



IMG_20160522_191535.jpg




电极不能太靠近血管,如果太靠近的话,发现电极会测到明显的血流脉动导致的电极变化的信号抖动,类似于ECG信号。


另外注意一点就是:我的电路没有做工频隔离,隔离依赖于示波器的质量同样下面的开发板我也只敢把笔记本电脑电源断了再测



[修改于 4 年前 - 2016-05-22 21:24:26]

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smith(作者)
12楼
这里发现50Hz的噪声还是有,但到这里基本上就可以区分得了闭眼、睁眼了
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smith(作者)
13楼
我的想法是:土洋并进,土指的是我自己设计的硬件,洋指的是国外的方案,看了一个知名的项目OpenBCI,使用的是德州仪器的ADS1288的方案。。

这里我动用了一下我私人和TI公司的关系,拿到了一个评估套件(这个就是更高级的东西),ADS1288光是IC都要400~500块钱

IMG_20160522_210122.jpg
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smith(作者)
14楼
运行起来是这样的
IMG_20160512_222717.jpg
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smith(作者)
15楼
简单说一下这个东西是什么作用吧,ADS1288是一个8通道的AD和可编程前置放大,也就是上面的那块板子,用SPI接口来访问

下面的那个板子是TMS320,一块比较老的主控芯片,有USB接口可以连接到电脑,当然也有dram来缓存数据。

TI在其官网上面提供了文档和一个电脑上的程序,打开就是这样的,这是一个用labview写的程序,用了TI自己的驱动和自己的固件,也就是说你什么都不用干就可以接上电极采集了
soft1.png



这是只接一个通道采集20000个sample的数据,注意下面的LPF、Notch Filter、HPF都可以配置的,真TM方便


wave2.png




频域分析
fft.png

[修改于 4 年前 - 2016-05-22 22:46:59]

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smith(作者)
16楼
引用 justinpiggy:
做得不错。
输入用仪表应该还考虑到了需要较高输入阻抗吧。

50Hz为什么不考虑用notch filter呢?是有什么考虑吗?

最后,是不是要考虑一下ESD的问题?
我们实验室常用AD8421(一片带宽且很精密的仪放)作为输入...
另外我也发现AD620似乎比较耐操,而且比较便宜,就没有加ESD二极管,不过我觉得工频隔离是商业化必须加的,因为和人体直接连接
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smith(作者)
17楼
介绍一些参考的关于EEG技术的网站:
1.http://openbci.com/ 这个是目前开源之中最先进的项目
2http://openeeg.sourceforge.net/ 太老了
3.http://www.instructables.com/id/DIY-EEG-and-ECG-Circuit/
。。。。
除此之外youtube上面有个美女老师介绍生物电知识的讲座,也讲得很好值得推荐
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smith(作者)
18楼
后续再开一个坑,介绍SSVEP输入技术,这个目前我还没有研究成功,但是这个是目前大部分人脑操控机械的方法
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19楼
严重 支持
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2016-05-23 01:41:32
20楼
引用 smith:
另外我也发现AD620似乎比较耐操,而且比较便宜,就没有加ESD二极管,不过我觉得工频隔离是商业化必须加的,因为和人体直接连接
数字侧隔离是不错的方案,供电用隔离电源模块,连接电脑用以太网或者隔离usb
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smith(作者)
21楼
引用 warmonkey:
数字侧隔离是不错的方案,供电用隔离电源模块,连接电脑用以太网或者隔离usb
有的是光耦隔离的,不过,说句实在话光耦也是一个普通的电子元件。。。其实最好的还是做成蓝牙或者wifi传输数据的,全套用电池不用工频电
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2016-05-24 01:21:38
22楼
其实我买了ads1298/ads1292r的开发板来做eeg,最后考虑成本还是用了蛋疼的ad8232,最重要的是,竟然做出来了,放松度,冥想,注意力。。然后说实话,你没有右腿驱动的话采到的信号基本全是杂波滤不出来的。。。
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smith(作者)
23楼
引用 fuwen0202:
其实我买了ads1298/ads1292r的开发板来做eeg,最后考虑成本还是用了蛋疼的ad8232,最重要的是,竟然做出来了,放松度,冥想,注意力。。然后说实话,你没有右腿驱动的话采到的信号基本全是杂波滤不出来的。。。
能否详细介绍一下右腿驱动的的原理,是用人体右腿来做地吗?我现在也是遇到了使用AD620不稳定的现象,后级的增益补偿很容易饱和。确实50Hz的杂波干扰太厉害了,但是模拟Notch Filter有点麻烦,打算下一步再搞
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smith(作者)
24楼
引用 fuwen0202:
其实我买了ads1298/ads1292r的开发板来做eeg,最后考虑成本还是用了蛋疼的ad8232,最重要的是,竟然做出来了,放松度,冥想,注意力。。然后说实话,你没有右腿驱动的话采到的信号基本全是杂波滤不出来的。。。
查了一下右腿驱动,好像就是类似测ECG的方式,但是这样不会有ECG信号混入吗
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smith(作者)
25楼
找到了一篇论文,貌似确实有提到右腿驱动,能有效减少共模干扰,这么说我得参考一下了。

另外我也发现有一次测量中,我把我的手按在大地(仅仅是和示波器共地,还不是与运放电源共地),发现50Hz杂波一下减少了很多。当时就在考虑是否需要人体与仪器共地


右腿驱动.pdf
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26楼
引用 smith:
查了一下右腿驱动,好像就是类似测ECG的方式,但是这样不会有ECG信号混入吗
RLD不仅仅是心电,基本上所有的生物电信号都会做右腿驱动来减少共模干扰。至于ECG信号的混入,大可不必担心,ECG虽然和EEG有频段的重合,但因为你的电极位置和滤波器的通频带的设置来衰减。当然ECG信号的带入是不可避免的,不过眼电和肌电的影响会更大哦。。
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27楼
最最最重要的我想说的是。。脑电看的是频域信号,,,50hz的噪声的能量本就会远远大于EEG信号,这是正常的,可是脑电液用不到50hz呀,基本上到40hz就可以衰减了,如果Q够大,还是能很好的抑制工频干扰的,所以一般的思路都是先用仪表小倍率放大再高通,再运放低通(我做了三阶)。。我做到这里的时候,一共大概放大10^4-10^5左右50hz基本只比信号大8倍左右了,就是由于q比较高,放大器进入稳定工作状态需要1秒多的时间。。。。
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28楼
引用 smith:
有的是光耦隔离的,不过,说句实在话光耦也是一个普通的电子元件。。。其实最好的还是做成蓝牙或者wifi传输数据的,全套用电池不用工频电
生物电测量设备的隔离要求,并不是防止电路部分的高电压导入人体。电路本身的可靠性很高,出现危险高电压几乎是不可能的。
隔离的目的主要是防止使用者意外触电时,生物电测量部分提供接地通路,导致大电流流过人体。
因此,生物电测量设备输入侧需要对大地有足够的隔离强度(而不是对电源侧!)
使用电池供电,测量电路接大地,也是违反IEC规范的行为
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29楼
很有趣的样子!cool
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2016-05-26 09:26:27
2016-5-26 09:26:27
smith(作者)
30楼
引用 fuwen0202:
其实我买了ads1298/ads1292r的开发板来做eeg,最后考虑成本还是用了蛋疼的ad8232,最重要的是,竟然做出来了,放松度,冥想,注意力。。然后说实话,你没有右腿驱动的话采到的信号基本全是杂波滤不出来的。。。
昨天试了一下,用了右腿驱动,杂波干扰果然大幅减少,波形和截图晚一些发出。
by the way,能否有空给我们科普一下,放松度,冥想,注意力和EEG信号的关系吗。
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31楼
希望LZ补充引用,文中很多地方提到(来自网络),请附上对应网络资源的URL。
还有一些文字,比如最前面的关于介绍脑电波分类的,明显不是原创,应有引用,但却没有注明,请检查一下个各楼文字,补全引用。
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2016-05-27 00:35:55
32楼
这个确实有意思,真的又是一个坑
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smith(作者)
33楼
补充一下今天使用右腿驱动的方法测试出的波形

IMG_20160527_214637.jpg
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2016-05-28 20:55:35
34楼
引用 smith:
昨天试了一下,用了右腿驱动,杂波干扰果然大幅减少,波形和截图晚一些发出。
by the way,能否有空给我们科普一下,放松度,冥想,注意力和EEG信号的关系吗。
关于放松,冥想,注意力和eeg你想听理论的还是实践呀。。。。理论和实践完全是俩回事。。
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35楼
话说为什么不头上戴着设备进行放松、冥想、注意力等试验?直接观察
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2016-05-29 09:29:54
smith(作者)
36楼
引用 usafn6132:
话说为什么不头上戴着设备进行放松、冥想、注意力等试验?直接观察
主要是目前普源的示波器我还不知道如何做FFT,或者把采集的数据导出,如果单独从时域波形来看的话很难分辨的
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smith(作者)
37楼
引用 fuwen0202:
关于放松,冥想,注意力和eeg你想听理论的还是实践呀。。。。理论和实践完全是俩回事。。
想看看理论的研究吧,目前有个商业化的Neurosky,这个号称能获取学生学习的注意力集中程度,但是不知道到底是不是靠谱的
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2016-05-31 10:10:50
2016-5-31 10:10:50
38楼
引用 smith:
主要是目前普源的示波器我还不知道如何做FFT,或者把采集的数据导出,如果单独从时域波形来看的话很难分辨的
没记错的话,fft是在math的按钮可能,,,
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39楼
引用 smith:
想看看理论的研究吧,目前有个商业化的Neurosky,这个号称能获取学生学习的注意力集中程度,但是不知道到底是不是靠谱的
nerosky我用过,现在也还有好几片,100/片卖你两片玩玩要不要啊,tgam我觉得可能有用,也可能在扯淡,有用的是导联脱落检测做的不错,但不知道采集放大和滤波做的咋样,因为没有原始波形。。但输出的注意力的值,我会说捏在手上也会有么,23333
然后是理论研究,是偏医学的《临床脑电图学》。。。里面有说纯理论的,
实践的话,就是做fft,然后看各个频段的能量组份。。

[修改于 4 年前 - 2016-05-31 11:19:16]

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40楼
其事我有做过3套eeg采集的电路,但都是商业产品,不能给你原理图了。。。
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41楼
这几个波的解释很神秘啊。好像人脑就是一个CPU一样,带有时钟信号。。。
另外普源垃圾,把FFT功能隐去了,要交钱才能开通。
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smith(作者)
42楼
引用 fuwen0202:
nerosky我用过,现在也还有好几片,100/片卖你两片玩玩要不要啊,tgam我觉得可能有用,也可能在扯淡,有用的是导联脱落检测做的不错,但不知道采集放大和滤波做的咋样,因为没有原始波形。。但输出的注意力的值,我会说捏在手上也会有么,23...
捏到手上都有2333。。。。 多谢推荐的书,让我这个外行多了解一下
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smith(作者)
43楼
引用 refinder:
这几个波的解释很神秘啊。好像人脑就是一个CPU一样,带有时钟信号。。。
另外普源垃圾,把FFT功能隐去了,要交钱才能开通。
是啊,我记得买来的时候上面写着有FFT的功能的,但是现在调不出了。。。
不过示波器体积太大也太麻烦了,我打算搞个便宜一点的USB示波器,连接笔记本电脑,采集数据和分析也方便一些
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44楼
可以把示波器二手卖我,我用不惯pc版的,我才不会说我都是用my daq+labview来调的。。。
你看看,我以前是用过ds1200好像是这个型号的普源,在两个通道数据的math按钮里面调fft的
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smith(作者)
45楼
引用 yarnn:
这个确实有意思,真的又是一个坑
yarnn兄的激光如何了
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smith(作者)
46楼
引用 fuwen0202:
可以把示波器二手卖我,我用不惯pc版的,我才不会说我都是用my daq+labview来调的。。。
你看看,我以前是用过ds1200好像是这个型号的普源,在两个通道数据的math按钮里面调fft的
看样子你是在国外吧,淘宝逛了一圈my daq好像还只有代购,还贵。。不如换成国产的多通道usb示波器。另外你们现在对脑电波主要研究啥,做神经外科的分析还是做BCI人机接口
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47楼
引用 smith:
看样子你是在国外吧,淘宝逛了一圈my daq好像还只有代购,还贵。。不如换成国产的多通道usb示波器。另外你们现在对脑电波主要研究啥,做神经外科的分析还是做BCI人机接口
表示我在浙江。。。mydaq是学校的废弃固定资产买过来的,超级便宜。。我以前兼职的公司是做玩具与健康的,BCI除了判定方向现在都是扯淡,,,
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2016-06-01 16:41:02
48楼
引用 smith:
yarnn兄的激光如何了
调的差不多 了,光斑不够细,不知道是聚光腔的原因还是聚焦境的原因,等过段时间再说吧,现在另外有事忙
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