允许患者在家中进行诊断和护理的EEG头盔

通过使用创新的传感器技术，IMEC研究人员已经证实能够开发出可以捕捉脑电波的头盔。

让我们想象有这样一款舒适且轻便的头盔，在戴上它之后，它就会马上开始捕捉佩戴者的大脑信号。这款头盔不用外接电线和外置其它电子元器件，在头盔已经包含了全部：一款完整的、灵活的EEG（脑电图）系统。

头盔内的系统能依据应用要求对记录下的脑电波进行处理。处理结果被无线传送至某个基站（例如，若是临床使用，会被送至医生的电脑），或被传送给某个游戏的游戏控制台。头盔的设置简单，没有冗长的定制程序。并且头盔可以依据佩戴者的脑袋形状进行调整，以便取得最佳扫描结果。这类EEG头盔能在当地药房就有销售，电池充电一次就可持续工作数周甚至数月。

这样的头盔有可能最终取代目前的EEG系统，包括医院使用的扫描仪以及那些用于非卧床EEG扫描的扫描仪。但后者（例如，被用于监测呆在家中的癫痫患者的扫描设备）仍然十份笨重。虽然与头盔差不多，但它们必须将头盔通过电线连接到和笔记本差不多大小的监测匣。对于患者而言，这只不过是把把医院转移到了家里，与能支持他们自行安装并且佩戴舒适的无线头盔监测器相比差得远了。

此外，未来推出的无线EEG头盔还应该可以针对新应用进行设计：例如，对小车和货车司机进行瞌睡监测、在家里进行廉价的高质量睡眠监测、用于认知疗法的生物反馈应用（用于治疗焦虑症、成瘾），或工作场所的情绪监测应用。此外，这类无线EEG头盔还可以被用于人脑-电脑接口应用领域---通过思想交流而非人体接触来实现驾驶操作。

首批产品和更多挑战

我们距成功开发出一款舒适的无线EEG头盔究竟还有多远？目前市场上已经推出了一些无线EEG头盔产品，大多数供游戏使用。它们可以执行我们想象中的无线EEG头盔的一部分指示要求，但不能同时执行所有指示。这些系统的重要意义在于它们提出了新的可能性和用途，并将推动对低功耗电子和应用整合的进一步研究。

要开发出理想的产品，需要解决的重要挑战之一是自主权，或者说使用时间，特别是在采用无线电波的情况下。目前，大部分系统的电池会在最多12个小时内耗尽。尽管12个小时对于有些应用而言已经足够，但无人护理非卧床监测，要求能在几周或几个月内进行自主测量，而不是仅仅能自主工作几小时。由于目前的无线EEG头盔产品使用的零部件都是采用商用现货，因此，目前已有的商用低功耗电子器件的实际功耗与无线EEG头盔或舒服的人体传感器迫切需要低功耗电子元器的理想功耗相比，还存在1～2个数量级的差距。

另一个挑战是智能性。大部分现有系统都只能扫描原始数据并将其发送至某个基站或电脑进行滤波和分析，而不能由传感器本地完成处理。请注意，生物医疗信号的质量通常在很大程度上取决于能否有效滤除人为干扰或信号中的毛刺，这些干扰有可能是因为佩戴者走动所导致。若直接从传感器下手，则能最有效地检测和滤除这些人为干扰。但这样做要求额外的测量和处理，从而增加了降低功耗的难度。

还有一个挑战就是产品的微型化。终端产品必须由体积小、重量轻的传感器组成，这样佩戴者才能感觉舒适，甚至戴上之后都不会有感觉。想一想那些可能被要求必须8小时不间断佩戴瞌睡监测器头盔的公交车司机。若佩戴头盔会导致佩戴者存在任何压力、重量或不适，那么头盔监测器将会迅速舍弃。最后一个挑战是，如何让大家都能买得起这样的头盔监测器，这就要求以低成本进行批量生产，有可能需要采用单芯片解决方案。

演示设备

IMEC & Holst中心的科学家们正在努力对未来人体传感器使用的基础技术进行研究，例如，本文中所述的EEG头盔。事实上，他们已经搭建了好几款演示产品。每推出一代产品，他们就朝着舒适、自治、以用户为本的传感器迈进了一步。

IMEC最新推出的一款演示产品是一款头盔式EEG系统，其中所用到的全部电子零部件，包括生物电势ASIC、无线电波、控制器芯片和电源电路，都被封装在尺寸为25×35×5 mm的小型无线EEG头盔中。依据使用情况的不同，该头盔目前能支持自主工作1.5～4天。该版本无线EEG头盔所取得的突破之一就是，使用了干电极，这样患者就可以在家中自行使用该头盔。

在能由传感器测量的诸多生物参数中，EEG信号特别显眼，因为要测量EEG信号特别难。EEG信号的振幅非常小（通常在1～20 µV），并且频率范围非常宽（从0.1～100 Hz）。为了记录下如此小的振幅，传感器需要低背景噪声。这款演示头盔设计采用一个特别设计用于捕捉EEG信号的8通道超低功耗模拟读数ASIC。该芯片的功耗仅为200 µW，并且具有高达120 dB的共模抑制比和极低的噪音（输入参考噪音为55 nV/√Hz）。在输入阻抗为1GΩ的情况下，可实现上述性能。

如果我们希望这类头盔能被长期用于监测，那么使用简单和使用者能自行设置是核心要求。标准EEG设备采用凝胶来实现电极和佩戴者头部的良好接触。但是这样做使得操作麻烦且需要他人协助才能完成。干电极不需要任何凝胶就可以和头皮形成良好接触。当然，使用干电极会导致高电极偏置和阻抗增大。因此，需要在设计放大器时考虑并克服这些增加的问题。此外，在需要低接触阻抗的情况下，可以将电极注上凝胶。

为了达到最大程度的自主权，设计时必须选择具有低静止和漏电流的元器件。部分系统在不需要的时候会被关掉，例如阻抗测量。当MCU处于低功耗模式时，数据可以从ASIC转移到微控制器（MCU）存储器。通过中断指令，可以将MCU从低功耗模式下激活。最后，无线电波有一定的占空比。

该监测头盔对实际EEG信号的信躁比为25dB。若对采样频率为256 Hz的一路通道进行持续记录和无线传送，则整个系统的功耗为3.3 mW；若对采样频率为1024 Hz的8路通道进行持续记录和无线传送，则整个系统的功耗为9.2 mW。这样，一节100 mAh的锂离子电池可以供无线监测头盔自主工作1.5～4天，具体取决于不同的工作模式。

演示应用：只有想不到，没有办不到

研究人员搭建了一系列应用来论证和测试IMEC超低功耗生物医学传感器，例如，前面所说到的EEG头盔。这些演示产品解释了这类传感器在未来的病人护理和其它医疗以及康复应用中能作何种用途。举一个包括EEG传感器的应用例子：一款舒适的睡眠深度监测器，该设备能够取代医院的睡眠实验室，在家中完成对患者睡眠阶段的检测。该头盔上有三个传感器节点，用来测量2路EEG通道、2路EOG（眼电图）通道和1路EMG（肌动电流图）通道。比利时的查内尔大学医院中心睡眠实验室以商用现货系统做为参考标准，对该系统进行了评估。结果表明，这款无线头盔可以取代现有的用于监测睡眠阶段的监测系统。

EEG传感器的另一个应用。由艺术家Christoph De Boeck完成的一个创意，被命名“钢铁天篷/Steel Sky”。De Boeck将80片钢瓦片附着在一个大天花板上，在每个钢瓦片的背面是一个金属引脚和减振架。可分别驱动每个金属引脚来敲击钢瓦片，然后由减振架对声音做进一步修改。参观者需佩戴可检测佩戴者脑电波的EEG头盔，EEG头盔会将其脑电波发送至与钢瓦片引脚和减振架相连的一台计算机。然后，由参观者的脑电波驱动钢瓦片后的引脚，形成高低节奏。

第三个应用是“想法阅读器”—一款可以翻译大脑电波的头盔，用于帮助佩戴人员拼写其脑中所想的单词和词组。佩戴者坐在闪烁交替横、坚字母组的监测器前面。如果他发现了他希望使用的字母，EEG监测器就依据其脑电波挑出与之相符的字母。该系统演示了一款便携的、佩戴舒适的、支持智能文字和语言交流的设备，可以帮助肌肉残废（如，脑瘫或说话或语言存在障碍）的患者进行交流