可穿戴耳內(nèi)情緒腦電設(shè)備緣起

隨著全球人口老齡化加劇，居家或遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)成為未來醫(yī)療的重要方向。情緒狀態(tài)作為反映心理健康的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)老年人及獨(dú)居患者的監(jiān)護(hù)尤為重要。傳統(tǒng)多通道腦電設(shè)備體積大、設(shè)置復(fù)雜，不適合長期連續(xù)監(jiān)測(cè)。為此，本研究開發(fā)了一種低成本的單通道干接觸式耳內(nèi)EEG設(shè)備，用于非侵入式情緒監(jiān)測(cè)。該設(shè)備基于價(jià)-喚醒情緒模型，通過耳道內(nèi)電極采集腦電信號(hào)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行分類。其優(yōu)勢(shì)包括：體積小、佩戴舒適、不易受汗水影響、設(shè)置簡便、用戶接受度高，且信號(hào)質(zhì)量與靠近耳部的T7/T8頭皮EEG位置相當(dāng)。如圖1所示，早期定制化耳內(nèi)EEG原型展示了其耳塞式設(shè)計(jì)，便于日常佩戴。

圖1：首個(gè)定制化耳內(nèi)EEG原型（2012年）

圖1展示了最早由David Looney等人提出的定制化耳內(nèi)EEG設(shè)備，基于用戶耳模3D打印制成，貼合度高但成本較高。

可穿戴耳內(nèi)情緒腦電設(shè)備系統(tǒng)概述

該耳內(nèi)EEG系統(tǒng)主要由耳塞主體和電極兩部分構(gòu)成，設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低成本、通用適配、高信號(hào)質(zhì)量。

圖2：通用型耳內(nèi)EEG原型（硅膠材質(zhì)）

圖2左側(cè)為示意圖，圖2右側(cè)為實(shí)物模型，采用圓柱形硅膠材質(zhì)，但因柔韌性不足未能廣泛適用。展示早期通用型設(shè)計(jì)的局限性。

耳塞選擇：研究比較了定制化耳模與通用耳塞。定制耳模雖貼合性好但成本高；通用耳塞中，硅膠和記憶泡沫均存在貼合不牢或易滑出的問題。最終選用多種尺寸的耳機(jī)橡膠作為主體（圖3），因其柔韌性好、適配性強(qiáng)，能穩(wěn)固貼合不同大小的耳道。

圖3：多尺寸耳機(jī)橡膠耳塞

圖3展示多種尺寸的柔性耳機(jī)橡膠耳塞，用于適配不同用戶耳道，提升佩戴穩(wěn)固性與舒適度。本研究最終選用的耳塞主體材料及其適配性優(yōu)勢(shì)。

電極選擇：測(cè)試了三種材料：半球形銀電極、鋁箔和銀粘合織物。銀電極剛性較強(qiáng)，鋁箔難以焊接導(dǎo)線。最終選用銀粘合織物作為電極材料（圖4），因其柔韌性與耳塞匹配良好，易于縫合導(dǎo)線，且阻抗低（0.05–5.5 Ω），與商用OpenBCI電極相當(dāng)。每個(gè)設(shè)備僅使用單通道電極，因同一耳內(nèi)多通道信號(hào)相似。

圖4：最終原型：單通道耳內(nèi)EEG電極

圖4展示本研究最終設(shè)計(jì)的耳內(nèi)EEG設(shè)備，由耳機(jī)橡膠基座和銀粘合織物電極組成，單通道設(shè)計(jì)。呈現(xiàn)本研究的實(shí)物成果，強(qiáng)調(diào)其低成本、柔韌性與實(shí)用性。

信號(hào)處理與驗(yàn)證：使用失匹配負(fù)波實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證信號(hào)質(zhì)量。通過播放標(biāo)準(zhǔn)音與意外音調(diào)，記錄事件相關(guān)電位。結(jié)果顯示，耳內(nèi)EEG與T8頭皮EEG信號(hào)高度相關(guān)（相關(guān)系數(shù)≈0.853），且ERP響應(yīng)符合理論預(yù)期（圖6、7），證實(shí)其信號(hào)有效性。

圖6：失匹配負(fù)波響應(yīng)對(duì)比

圖6a頻率失匹配的ERP響應(yīng)；圖6b持續(xù)時(shí)間失匹配的ERP響應(yīng)；圖6c標(biāo)準(zhǔn)音調(diào)的ERP響應(yīng)；圖6d,e傳統(tǒng)MMN實(shí)驗(yàn)中的失匹配響應(yīng)驗(yàn)證耳內(nèi)EEG與T8頭皮EEG在ERP響應(yīng)上高度一致，證明其信號(hào)有效性。

圖7：平均MMN響應(yīng)對(duì)比

圖7a平均耳內(nèi)EEG對(duì)所有失匹配試驗(yàn)的響應(yīng)；圖7b平均T8 EEG對(duì)所有失匹配試驗(yàn)的響應(yīng)；圖7c平均耳內(nèi)EEG對(duì)標(biāo)準(zhǔn)音調(diào)的響應(yīng)；圖7d平均T8 EEG對(duì)標(biāo)準(zhǔn)音調(diào)的響應(yīng)；圖7可進(jìn)一步展示耳內(nèi)EEG與 scalp EEG 在平均信號(hào)形態(tài)上的相似性

MMN（失匹配負(fù)波）實(shí)驗(yàn)：在本研究中用于驗(yàn)證自制耳內(nèi)腦電設(shè)備所記錄信號(hào)的真實(shí)性與有效性。該實(shí)驗(yàn)通過向受試者交替播放重復(fù)的“標(biāo)準(zhǔn)音”與偶然插入的“偏差音”，利用大腦會(huì)自動(dòng)對(duì)意外刺激產(chǎn)生特定負(fù)向腦電波（MMN）的特性，來檢驗(yàn)設(shè)備能否可靠捕獲這種源自大腦的神經(jīng)電活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰顯示，耳內(nèi)設(shè)備記錄的信號(hào)與置于耳旁頭皮（T8位置）的標(biāo)準(zhǔn)腦電設(shè)備信號(hào)高度一致（相關(guān)系數(shù)約0.853），且都能在偏差音出現(xiàn)后200-400毫秒內(nèi)觀察到典型的MMN負(fù)峰，從而有力地證實(shí)了該耳內(nèi)腦電設(shè)備能夠獲取到高質(zhì)量、可信賴的腦電信號(hào)，為其后續(xù)用于情緒分類任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

臨床研究

研究方法：

受試者：13名20–30歲成年人（12男1女）。

情緒刺激：使用IAPS和GAPED圖片庫及四段古典音樂，基于價(jià)-喚醒模型誘發(fā)四種情緒（快樂、平靜、悲傷、恐懼）。

數(shù)據(jù)采集：耳內(nèi)EEG插入一側(cè)耳道，接地電極置于前額，參考電極置于同側(cè)臉頰。每次實(shí)驗(yàn)記錄40個(gè) trials。

信號(hào)處理與分類：

使用Butterworth濾波器去除50 Hz工頻噪聲，并分離出θ、α、β、γ頻帶。

提取6個(gè)統(tǒng)計(jì)特征，使用支持向量機(jī)進(jìn)行情緒分類。

采用十折交叉驗(yàn)證評(píng)估分類性能。

研究結(jié)果：

情緒分類準(zhǔn)確率（表1）：

效價(jià)：71.07%

喚醒度：72.89%

四類情緒：53.72%

與DEAP數(shù)據(jù)集對(duì)比：

使用DEAP中T7/T8信號(hào)的分類準(zhǔn)確率為：價(jià)69.85%、喚醒78.7%、四類情緒58.12%。

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（Bonferroni測(cè)試）顯示，耳內(nèi)EEG與T7/T8在情緒分類上無顯著差異（p > 0.05）。

圖8：情緒分類準(zhǔn)確率箱線圖（四類情緒）

圖8比較T7、T8和耳內(nèi)EEG在四類情緒分類上的準(zhǔn)確率分布，箱線圖顯示中位數(shù)、四分位數(shù)及均值。直觀展示三類設(shè)備在整體情緒分類性能上的可比性。

圖9：效價(jià)分類準(zhǔn)確率箱線圖

圖9針對(duì)效價(jià)（正/負(fù)）分類，比較T7、T8與耳內(nèi)EEG的準(zhǔn)確率。強(qiáng)調(diào)耳內(nèi)EEG在效價(jià)維度上的分類能力與 scalp EEG 相當(dāng)

圖10：喚醒度分類準(zhǔn)確率箱線圖

圖10針對(duì)喚醒（高/低）分類，比較三類設(shè)備的準(zhǔn)確率。顯示耳內(nèi)EEG在喚醒度略低于T7/T8但無顯著差異。

總結(jié)

本研究成功開發(fā)了一種低成本、穿戴舒適、信號(hào)可靠的單通道耳內(nèi)EEG設(shè)備，適用于情緒監(jiān)測(cè)。通過MMN實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其信號(hào)與T7/T8頭皮EEG高度相關(guān)，情緒分類準(zhǔn)確率與傳統(tǒng)方法相當(dāng)。該設(shè)備具有易于自佩戴、不受汗水干擾、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，特別適合未來居家或遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。未來可進(jìn)一步集成無線通信（如藍(lán)牙）、增加雙耳通道以提升分類性能，或優(yōu)化耳塞設(shè)計(jì)以保留聽力功能。

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(hào)采集對(duì)于精準(zhǔn)識(shí)別和分析非癲癇樣異常（如彌漫性慢波、局灶性δ活動(dòng)）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(hào)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)噪聲和電磁干擾對(duì)信號(hào)的影響，在高原或移動(dòng)場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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。

回映便攜式TI時(shí)域干涉經(jīng)顱電刺激儀設(shè)備示意圖

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(dòng)皮層的神經(jīng)信號(hào)。這些信號(hào)被實(shí)時(shí)傳輸至內(nèi)置的信號(hào)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(dòng)意圖，并將其量化為一個(gè)實(shí)時(shí)的“運(yùn)動(dòng)概率”。一旦該概率值超過預(yù)設(shè)閾值，計(jì)算單元會(huì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)、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(dòng)功能恢復(fù)。

便攜無創(chuàng)腦脊接口設(shè)備示意圖

參考文獻(xiàn)

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