通過使用創(chuàng)新的傳感器技術，IMEC研究人員已經(jīng)證實能夠開發(fā)出可以捕捉腦電波的頭盔。

讓我們想象有這樣一款舒適且輕便的頭盔，在戴上它之后，它就會馬上開始捕捉佩戴者的大腦信號。這款頭盔不用外接電線和外置其它電子元器件，在頭盔已經(jīng)包含了全部：一款完整的、靈活的EEG（腦電圖）系統(tǒng)。

頭盔內(nèi)的系統(tǒng)能依據(jù)應用要求對記錄下的腦電波進行處理。處理結(jié)果被無線傳送至某個基站（例如，若是臨床使用，會被送至醫(yī)生的電腦），或被傳送給某個游戲的游戲控制臺。頭盔的設置簡單，沒有冗長的定制程序。并且頭盔可以依據(jù)佩戴者的腦袋形狀進行調(diào)整，以便取得最佳掃描結(jié)果。這類EEG頭盔能在當?shù)厮幏烤陀袖N售，電池充電一次就可持續(xù)工作數(shù)周甚至數(shù)月。

這樣的頭盔有可能最終取代目前的EEG系統(tǒng)，包括醫(yī)院使用的掃描儀以及那些用于非臥床EEG掃描的掃描儀。但后者（例如，被用于監(jiān)測呆在家中的癲癇患者的掃描設備）仍然十份笨重。雖然與頭盔差不多，但它們必須將頭盔通過電線連接到和筆記本差不多大小的監(jiān)測匣。對于患者而言，這只不過是把把醫(yī)院轉(zhuǎn)移到了家里，與能支持他們自行安裝并且佩戴舒適的無線頭盔監(jiān)測器相比差得遠了。

此外，未來推出的無線EEG頭盔還應該可以針對新應用進行設計：例如，對小車和貨車司機進行瞌睡監(jiān)測、在家里進行廉價的高質(zhì)量睡眠監(jiān)測、用于認知療法的生物反饋應用（用于治療焦慮癥、成癮），或工作場所的情緒監(jiān)測應用。此外，這類無線EEG頭盔還可以被用于人腦-電腦接口應用領域---通過思想交流而非人體接觸來實現(xiàn)駕駛操作。

首批產(chǎn)品和更多挑戰(zhàn)

我們距成功開發(fā)出一款舒適的無線EEG頭盔究竟還有多遠？目前市場上已經(jīng)推出了一些無線EEG頭盔產(chǎn)品，大多數(shù)供游戲使用。它們可以執(zhí)行我們想象中的無線EEG頭盔的一部分指示要求，但不能同時執(zhí)行所有指示。這些系統(tǒng)的重要意義在于它們提出了新的可能性和用途，并將推動對低功耗電子和應用整合的進一步研究。

要開發(fā)出理想的產(chǎn)品，需要解決的重要挑戰(zhàn)之一是自主權，或者說使用時間，特別是在采用無線電波的情況下。目前，大部分系統(tǒng)的電池會在最多12個小時內(nèi)耗盡。盡管12個小時對于有些應用而言已經(jīng)足夠，但無人護理非臥床監(jiān)測，要求能在幾周或幾個月內(nèi)進行自主測量，而不是僅僅能自主工作幾小時。由于目前的無線EEG頭盔產(chǎn)品使用的零部件都是采用商用現(xiàn)貨，因此，目前已有的商用低功耗電子器件的實際功耗與無線EEG頭盔或舒服的人體傳感器迫切需要低功耗電子元器的理想功耗相比，還存在1～2個數(shù)量級的差距。

另一個挑戰(zhàn)是智能性。大部分現(xiàn)有系統(tǒng)都只能掃描原始數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至某個基站或電腦進行濾波和分析，而不能由傳感器本地完成處理。請注意，生物醫(yī)療信號的質(zhì)量通常在很大程度上取決于能否有效濾除人為干擾或信號中的毛刺，這些干擾有可能是因為佩戴者走動所導致。若直接從傳感器下手，則能最有效地檢測和濾除這些人為干擾。但這樣做要求額外的測量和處理，從而增加了降低功耗的難度。

還有一個挑戰(zhàn)就是產(chǎn)品的微型化。終端產(chǎn)品必須由體積小、重量輕的傳感器組成，這樣佩戴者才能感覺舒適，甚至戴上之后都不會有感覺。想一想那些可能被要求必須8小時不間斷佩戴瞌睡監(jiān)測器頭盔的公交車司機。若佩戴頭盔會導致佩戴者存在任何壓力、重量或不適，那么頭盔監(jiān)測器將會迅速舍棄。最后一個挑戰(zhàn)是，如何讓大家都能買得起這樣的頭盔監(jiān)測器，這就要求以低成本進行批量生產(chǎn)，有可能需要采用單芯片解決方案。

演示設備

IMEC & Holst中心的科學家們正在努力對未來人體傳感器使用的基礎技術進行研究，例如，本文中所述的EEG頭盔。事實上，他們已經(jīng)搭建了好幾款演示產(chǎn)品。每推出一代產(chǎn)品，他們就朝著舒適、自治、以用戶為本的傳感器邁進了一步。

IMEC最新推出的一款演示產(chǎn)品是一款頭盔式EEG系統(tǒng)，其中所用到的全部電子零部件，包括生物電勢ASIC、無線電波、控制器芯片和電源電路，都被封裝在尺寸為25×35×5 mm的小型無線EEG頭盔中。依據(jù)使用情況的不同，該頭盔目前能支持自主工作1.5～4天。該版本無線EEG頭盔所取得的突破之一就是，使用了干電極，這樣患者就可以在家中自行使用該頭盔。

在能由傳感器測量的諸多生物參數(shù)中，EEG信號特別顯眼，因為要測量EEG信號特別難。EEG信號的振幅非常?。ㄍǔＴ?～20 µV），并且頻率范圍非常寬（從0.1～100 Hz）。為了記錄下如此小的振幅，傳感器需要低背景噪聲。這款演示頭盔設計采用一個特別設計用于捕捉EEG信號的8通道超低功耗模擬讀數(shù)ASIC。該芯片的功耗僅為200 µW，并且具有高達120 dB的共模抑制比和極低的噪音（輸入?yún)⒖荚胍魹?5 nV/√Hz）。在輸入阻抗為1GΩ的情況下，可實現(xiàn)上述性能。

如果我們希望這類頭盔能被長期用于監(jiān)測，那么使用簡單和使用者能自行設置是核心要求。標準EEG設備采用凝膠來實現(xiàn)電極和佩戴者頭部的良好接觸。但是這樣做使得操作麻煩且需要他人協(xié)助才能完成。干電極不需要任何凝膠就可以和頭皮形成良好接觸。當然，使用干電極會導致高電極偏置和阻抗增大。因此，需要在設計放大器時考慮并克服這些增加的問題。此外，在需要低接觸阻抗的情況下，可以將電極注上凝膠。

為了達到最大程度的自主權，設計時必須選擇具有低靜止和漏電流的元器件。部分系統(tǒng)在不需要的時候會被關掉，例如阻抗測量。當MCU處于低功耗模式時，數(shù)據(jù)可以從ASIC轉(zhuǎn)移到微控制器（MCU）存儲器。通過中斷指令，可以將MCU從低功耗模式下激活。最后，無線電波有一定的占空比。

該監(jiān)測頭盔對實際EEG信號的信躁比為25dB。若對采樣頻率為256 Hz的一路通道進行持續(xù)記錄和無線傳送，則整個系統(tǒng)的功耗為3.3 mW；若對采樣頻率為1024 Hz的8路通道進行持續(xù)記錄和無線傳送，則整個系統(tǒng)的功耗為9.2 mW。這樣，一節(jié)100 mAh的鋰離子電池可以供無線監(jiān)測頭盔自主工作1.5～4天，具體取決于不同的工作模式。

演示應用：只有想不到，沒有辦不到

研究人員搭建了一系列應用來論證和測試IMEC超低功耗生物醫(yī)學傳感器，例如，前面所說到的EEG頭盔。這些演示產(chǎn)品解釋了這類傳感器在未來的病人護理和其它醫(yī)療以及康復應用中能作何種用途。舉一個包括EEG傳感器的應用例子：一款舒適的睡眠深度監(jiān)測器，該設備能夠取代醫(yī)院的睡眠實驗室，在家中完成對患者睡眠階段的檢測。該頭盔上有三個傳感器節(jié)點，用來測量2路EEG通道、2路EOG（眼電圖）通道和1路EMG（肌動電流圖）通道。比利時的查內(nèi)爾大學醫(yī)院中心睡眠實驗室以商用現(xiàn)貨系統(tǒng)做為參考標準，對該系統(tǒng)進行了評估。結(jié)果表明，這款無線頭盔可以取代現(xiàn)有的用于監(jiān)測睡眠階段的監(jiān)測系統(tǒng)。

EEG傳感器的另一個應用。由藝術家Christoph De Boeck完成的一個創(chuàng)意，被命名“鋼鐵天篷/Steel Sky”。De Boeck將80片鋼瓦片附著在一個大天花板上，在每個鋼瓦片的背面是一個金屬引腳和減振架?？煞謩e驅(qū)動每個金屬引腳來敲擊鋼瓦片，然后由減振架對聲音做進一步修改。參觀者需佩戴可檢測佩戴者腦電波的EEG頭盔，EEG頭盔會將其腦電波發(fā)送至與鋼瓦片引腳和減振架相連的一臺計算機。然后，由參觀者的腦電波驅(qū)動鋼瓦片后的引腳，形成高低節(jié)奏。

第三個應用是“想法閱讀器”—一款可以翻譯大腦電波的頭盔，用于幫助佩戴人員拼寫其腦中所想的單詞和詞組。佩戴者坐在閃爍交替橫、堅字母組的監(jiān)測器前面。如果他發(fā)現(xiàn)了他希望使用的字母，EEG監(jiān)測器就依據(jù)其腦電波挑出與之相符的字母。該系統(tǒng)演示了一款便攜的、佩戴舒適的、支持智能文字和語言交流的設備，可以幫助肌肉殘廢（如，腦癱或說話或語言存在障礙）的患者進行交流