穿戴式脑电采集系统概述

穿戴式脑电（EEG）采集系统是一种用于实时、移动场景下监测大脑电活动的可穿戴设备，相较于传统脑电帽，具有轻量化、柔性贴合、无线传输等特点，广泛应用于医疗诊断、脑机接口（BCI）、神经反馈训练、睡眠监测等领域。

1. 系统组成

(1) 电极模块

• 电极类型：

  • 湿电极：Ag/AgCl + 导电凝胶（信号质量高，但需定期补充凝胶）。

  • 干电极：金属微针/导电聚合物（无需凝胶，适合长期佩戴，但阻抗较高）。

  • 纺织电极：银纤维/碳纤维编织（舒适，但易受运动干扰）。

  • 柔性电极：石墨烯/液态金属（高贴合度，抗运动伪影）。

• 电极布局：

  • 国际10-20系统（标准EEG通道，如Fp1, C3, O2等）。

  • 简化版（单通道/多通道，如消费级头环仅用FP1/FP2）。

(2) 信号采集与处理

• 模拟前端（AFE）：

  • 低噪声放大器（LNA）、带通滤波（0.5-100 Hz）、模数转换（ADC）。

  • 典型芯片：Texas Instruments ADS1299（医疗级EEG AFE）。

• 降噪技术：

  • 硬件：屏蔽线、右腿驱动（RLD）降低共模干扰。

  • 软件：ICA（独立成分分析）、小波变换去除眼电/肌电伪影。

(3) 数据传输

• 有线：USB/轻量化线缆（实验室设备，如BioSemi）。

• 无线：

  • 蓝牙/BLE（低功耗，如Muse头环）。

  • Wi-Fi（高数据量，如科研级EEG）。

  • 近场通信（NFC，用于低功耗植入式设备）。

(4) 电源管理

• 可充电锂电池（如3.7V 500mAh，支持8-24小时续航）。

• 能量采集技术（实验阶段：摩擦纳米发电机TENG）。

(5) 软件与算法

• 实时显示：脑电波形（α/β/θ/γ波）、频谱分析。

• BCI应用：

  • 运动想象（MI-BCI）：控制外设（轮椅、机械臂）。

  • SSVEP/P300：视觉/听觉诱发电位识别。

• 神经反馈：专注度/放松度训练（如游戏化EEG应用）。

2. 技术挑战

3. 典型应用场景

(1) 医疗与健康

• 癫痫监测：异常放电预警。

• 睡眠分析：REM/深睡眠阶段识别。

• 认知障碍：阿尔茨海默病早期筛查。

(2) 脑机接口（BCI）

• 控制外设：轮椅、智能家居（通过SSVEP/P300）。

• 虚拟现实（VR）：意念交互游戏（如Neurable头显）。

(3) 消费电子

• 专注力训练：NeuroSky MindWave（教育/办公场景）。

• 情绪监测：Muse头环（冥想辅助）。

(4) 科研与军事

• 神经增强：DARPA项目（提高士兵认知能力）。

• 脑-脑通信：实验性“脑联网”研究。

4. 商业产品示例

5. 未来发展趋势

• 更高通道数：128+通道柔性电极阵列（如Neuralink的植入式方向）。

• AI增强分析：端侧深度学习（如EEGNet模型实时解码）。

• 无感佩戴：隐形电子纹身电极（如MIT开发的“DuoSkin”）。

• 多模态融合：EEG + fNIRS（近红外光谱）提升信号精度。