腦電等多模態(tài)生理參數(shù)采集智能眼鏡概述

GAPses 是一款創(chuàng)新的智能眼鏡平臺，旨在實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、舒適、安全的腦電圖（EEG）和眼電圖（EOG）信號的采集與處理。其全稱為 “GAP Smart GlassES”，采用輕量化設(shè)計(jì)（僅40克），外形與傳統(tǒng)眼鏡相近，便于日常佩戴。該平臺集成了定制干電極與GAP9超低功耗RISC-V處理器，實(shí)現(xiàn)了邊緣計(jì)算，避免了持續(xù)無線數(shù)據(jù)傳輸帶來的隱私與能耗問題。GAP9處理器具備強(qiáng)大的并行處理能力（15.6 GOPS），適用于實(shí)時(shí)信號處理與機(jī)器學(xué)習(xí)推斷，是實(shí)現(xiàn)高效、低功耗生物信號處理的關(guān)鍵。

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系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)

GAPses 的系統(tǒng)架構(gòu)包括以下幾個(gè)核心部分：

眼鏡框架：采用3D打印的半剛性樹脂材料，分為前框和兩個(gè)鏡腿，內(nèi)部嵌入電極接口PCB。

電極接口PCB：采用柔性-剛性結(jié)合設(shè)計(jì)，集成緩沖電路（AD8603）以提升信號質(zhì)量與抗干擾能力。

通道選擇接口PCB：支持兩種配置：純EEG模式（8通道）與EEG+EOG混合模式（8 EEG + 3 EOG）。

BioGAP處理平臺：集成ADS1298模擬前端、GAP9處理器、內(nèi)存、IMU和PMIC，支持高精度生物信號采集與實(shí)時(shí)處理。

圖1 GAPses系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與組件

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電極設(shè)計(jì)關(guān)鍵

GAPses 使用Datwyler 公司定制的 SoftPulse 干電極，無需導(dǎo)電凝膠或皮膚準(zhǔn)備，適合長時(shí)間佩戴：

EOG電極（圖1B)：位于鼻托和鼻梁處，采用扁平設(shè)計(jì)以最大化接觸面積。

EEG電極（圖1B）：位于鏡腿和耳后，采用帶“腿”的刷狀設(shè)計(jì)，便于穿透毛發(fā)與皮膚接觸。

所有電極均通過壓力配合的PTH（鍍銅孔） 與PCB連接，無需傳統(tǒng)插扣，節(jié)省空間且便于更換。

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臨床驗(yàn)證與應(yīng)用性能

A. EOG：從高質(zhì)量信號采集到高性能人機(jī)交互

研究方法與驗(yàn)證路徑：

信號質(zhì)量驗(yàn)證：受試者佩戴眼鏡執(zhí)行多種眼動任務(wù)（上下、左右、斜向、眨眼等），通過鼻部的三個(gè)定制干電極采集信號，并計(jì)算水平與垂直EOG分量。

分類應(yīng)用實(shí)現(xiàn)：基于驗(yàn)證過的高質(zhì)量信號，構(gòu)建一個(gè)包含11類眼動的數(shù)據(jù)集，并訓(xùn)練一個(gè)適用于嵌入式設(shè)備的深度學(xué)習(xí)模型（改進(jìn)的EpIDENer）。最終，將該模型部署在集成的GAP9處理器上，評估其分類性能、信息傳輸速率和能耗。

關(guān)鍵結(jié)果與性能數(shù)據(jù)：

信號質(zhì)量：如圖2所示，系統(tǒng)成功采集到特征鮮明、易于區(qū)分的EOG信號。垂直眼動在垂直分量上產(chǎn)生大幅偏移，水平眼動則主導(dǎo)水平分量的變化，眨眼則呈現(xiàn)出典型的尖峰脈沖，充分證明了電極配置和硬件設(shè)計(jì)的有效性。

圖2 EOG信號與眼動對應(yīng)關(guān)系

分類準(zhǔn)確率：在模型部署后，系統(tǒng)對11類眼動的分類達(dá)到了96.78%的平均準(zhǔn)確率（圖3）。

圖3 EOG分類準(zhǔn)確率與ITR曲線

交互速度（圖3）：通過權(quán)衡準(zhǔn)確率與響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)在僅使用0.8秒數(shù)據(jù)且準(zhǔn)確率為81.43% 時(shí)，實(shí)現(xiàn)了 161.43 bit/min 的峰值信息傳輸率，表現(xiàn)出極快的交互潛力。

能耗效率：整個(gè)分類任務(wù)在GAP9處理器上完成，單次推斷的能耗極低，僅為 24 μJ，系統(tǒng)平均功耗低至 16.28 mW。

B. EEG：從經(jīng)典范式驗(yàn)證到精準(zhǔn)生物識別

研究方法與驗(yàn)證路徑：

信號質(zhì)量與范式驗(yàn)證：

Alpha波：通過“睜眼-閉眼”范式，觀察枕葉區(qū)Alpha節(jié)律的典型變化。

SSVEP：讓受試者響應(yīng)不同頻率的視覺刺激，使用NCCA方法檢測穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位。

運(yùn)動想象：記錄受試者在執(zhí)行左/右手手指敲擊時(shí)的腦電信號，并嘗試進(jìn)行分類。

智能應(yīng)用實(shí)現(xiàn)：在確認(rèn)EEG信號質(zhì)量后，進(jìn)行了一項(xiàng)EEG生物識別（BrainMetrics） 應(yīng)用研究。收集6名受試者多天的腦電數(shù)據(jù)，為每人訓(xùn)練一個(gè)二分類模型，用于判斷當(dāng)前使用者是否為“設(shè)備所有者”。

關(guān)鍵結(jié)果與性能數(shù)據(jù)：

信號質(zhì)量與范式響應(yīng)：

Alpha波：如圖4所示，閉眼期間Alpha頻段（8-13 Hz）能量出現(xiàn)顯著且持續(xù)的增強(qiáng)，符合生理預(yù)期。

圖4 Alpha波實(shí)驗(yàn)頻譜圖

SSVEP：如圖5所示，系統(tǒng)在所有目標(biāo)頻率上均能誘發(fā)出清晰的響應(yīng)，僅需3秒數(shù)據(jù)即可被可靠識別。

圖5 SSVEP響應(yīng)分析顯示不同頻率刺激下的NCCA與CCA響應(yīng)曲線，驗(yàn)證SSVEP檢測能力

運(yùn)動想象：盡管電極未直接覆蓋運(yùn)動皮層，系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)左/右/休息狀態(tài)的分類，平均準(zhǔn)確率顯著高于隨機(jī)水平。

生物識別性能：在8個(gè)EEG通道的支持下，BrainMetrics應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了極高的識別精度，靈敏度達(dá)98.87%，特異性達(dá)99.86%，這意味著幾乎不會誤識主人，也極少會錯誤放行他人。

能耗效率：完成一次高精度的身份驗(yàn)證，在GAP9上僅消耗 121 μJ 的能量。

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總結(jié)

GAPses 智能眼鏡通過多通道干電極采集、邊緣處理、低功耗設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量EEG與EOG信號的采集與實(shí)時(shí)分析。其在眼動識別與腦電生物識別等任務(wù)中表現(xiàn)出色，兼具高精度、高能效與用戶友好性，為可穿戴生物信號設(shè)備設(shè)定了新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。未來可進(jìn)一步拓展其在無約束環(huán)境下的應(yīng)用場景。

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回映產(chǎn)品

產(chǎn)品1：單通道肌電/心電/呼吸采集設(shè)備

單通道肌電/心電/呼吸采集設(shè)備創(chuàng)新性地采用type-C轉(zhuǎn)腦電電極以簡單輕便的方式實(shí)現(xiàn)了單通道肌電/心電/呼吸采集，且基于結(jié)構(gòu)與硬件的特殊設(shè)計(jì)，支持高原環(huán)境下進(jìn)行采集。另外產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)采用魔術(shù)貼設(shè)計(jì)，方便于全身佩戴。

適用領(lǐng)域:單通道生理參數(shù)采集

單通道肌電/心電/呼吸采集設(shè)備

產(chǎn)品2.基于干電極的32通道腦電采集儀

高質(zhì)量腦電信號采集對于精準(zhǔn)識別和分析非癲癇樣異常（如彌漫性慢波、局灶性δ活動）至關(guān)重要。為此可以了解我們研發(fā)的一款32通道可穿戴腦電采集儀，采用高精度干電極采集腦電信號，無需導(dǎo)電膏即可快速佩戴，極大提升了受試者的舒適度和操作效率，特別適合長時(shí)間或動態(tài)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集。該設(shè)備不僅能通過全覆蓋設(shè)計(jì)捕捉全腦電活動細(xì)節(jié)，還采用了type-C智能轉(zhuǎn)接技術(shù)和抗干擾硬件架構(gòu)，有效減少了運(yùn)動噪聲和電磁干擾對信號的影響，在高原或移動場景中也能穩(wěn)定輸出低噪聲波形。

適用范圍：多通道生理參數(shù)采集

32通道腦電采集儀

產(chǎn)品3：便攜式TI時(shí)域干涉經(jīng)顱電刺激儀

便攜式TI時(shí)域干涉經(jīng)顱電刺激儀通過緊密接觸于頭皮的電極傳導(dǎo)兩路不同頻率的高頻脈沖電流(如：2000Hz和2010Hz),高頻電流流經(jīng)大腦表層和深部區(qū)域，并在腦深部干涉產(chǎn)生低頻包絡(luò)(如：10Hz),由于大腦神經(jīng)元對高頻(>1000Hz)電刺激不響應(yīng)，所以位于大腦表層的高頻電流并沒有對大腦產(chǎn)生刺激效應(yīng)位于腦深部的低頻包絡(luò)刺激大腦，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)地刺激大腦深部而不影響大腦皮層，即無創(chuàng)腦深部電刺激。

回映便攜式時(shí)域干涉電刺激設(shè)備支持傳統(tǒng)的tTIS時(shí)域干涉電刺激模式（基于正弦波），PWM-TI時(shí)域干涉電刺激模式（基于50%占空比方波），burst-TI時(shí)域干涉電刺激模式,細(xì)分為tTI-iTBS，tTI-cTBS兩種模式（基于iTBS，cTBS).

適用范圍：

能夠應(yīng)用于對老年癡呆、癲癇、帕金森、抑郁癥等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療和神經(jīng)科學(xué)研究的多個(gè)領(lǐng)域。

產(chǎn)品4：便攜無創(chuàng)腦脊接口設(shè)備（可ODM定制開發(fā)）

回映這款非侵入性腦脊接口整機(jī)設(shè)備是一個(gè)高度集成的閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，其核心工作流程始于一個(gè)配備32個(gè)電極的便攜式腦電帽，用于無創(chuàng)采集用戶大腦感覺運(yùn)動皮層的神經(jīng)信號。這些信號被實(shí)時(shí)傳輸至內(nèi)置的信號處理與計(jì)算單元，該單元運(yùn)行著先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法（線性判別分析，LDA），能夠從特定的腦電節(jié)律（μ波和β波）中持續(xù)解碼出下肢的運(yùn)動意圖，并將其量化為一個(gè)實(shí)時(shí)的“運(yùn)動概率”。一旦該概率值超過預(yù)設(shè)閾值，計(jì)算單元會即刻向經(jīng)皮脊髓電刺激器發(fā)出觸發(fā)指令。刺激器則通過精準(zhǔn)貼附于使用者背部T10脊髓節(jié)段和腹部的電極，輸送出與運(yùn)動意圖同步的、特定參數(shù)（如30Hz，10-15mA）的電刺激，以激活脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輔助運(yùn)動完成。整個(gè)系統(tǒng)通過統(tǒng)一的硬件同步機(jī)制，確保了從“意念識別”到“脊髓刺激”整個(gè)環(huán)路的時(shí)間精度，最終形成一個(gè)由“大腦意圖驅(qū)動、脊髓刺激輔助”的一體化康復(fù)設(shè)備，旨在通過這種精準(zhǔn)的閉環(huán)干預(yù)促進(jìn)脊髓損傷患者的神經(jīng)功能重塑與運(yùn)動功能恢復(fù)。

便攜無創(chuàng)腦脊接口設(shè)備示意圖