【脑电硬件】教育相关的商业可穿戴脑电设备概览

原创
08/07 17:48
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脑电是一门古老的脑成像技术,但迄今为止也依然是最具生命力的主流脑成像技术之一。这主要得益于相比其他脑成像技术,脑电设备具有便携性好,使用成本低,无创,高时间分辨率,和丰富的频率信息等优势。对于在教育领域的实际应用,当前正处于蓬勃发展中的可穿戴式脑电设备,是最具潜力进入真实教育场景的脑成像技术门类,因为它在便携性,成本,使用的简易性方面拥有更显著的优势。

本文的主要目的是针对现有不同类型的商业可穿戴式脑电设备及其应用做一个简单分析和介绍。根据不同的脑电设备在认知神经科学和教育交叉领域的普及程度和潜在适用性,我们对比了以下6种可穿戴脑电设备。

  • MUSE-2
  • EMOTIV-EPOC X
  • Wearable Sensing-DSI 24
  • OpenBCI-Cyton
  • CGX-Quick 30
  • mBrainTrain-SMARTING mobi

区分脑电设备的基本要素通常包含以下四点:

**1.电极数:**电极即小的金属传感器,可以探测到大脑的信号,一般来说,电极数越多,检测到的脑电波效果越好,可以执行的脑电分析也越为广泛深入。

**2.湿电极或干电极:**湿电极需要在实验前在每个电极上涂上导电凝胶或盐水,而干电极则不需要,干电极具有更舒适的体验感。

**3.有线或无线:**本文中提到的所有设备都是无线设备,也可以称为‘移动的’设备,有线脑电设备主要用于前沿研究和医学领域。设备的移动性和便携性对实际应用非常重要。

**4.佩戴的舒适/可接受程度:**脑电设备佩戴的舒适性会直接影响被试者的实验状态,佩戴较舒适的脑电设备会带来更好的实验效果,才有机会走入实际应用。

除了以上基本因素,脑电设备的另一个指标是采样率,采样率即每秒可采集到的数据点,较高的采样率支持较高的时间分辨率。此外,电池可连续使用时间也是一个重要因素,该因素会限制实验可进行的时间,对实验的完整性具有重要意义。

表1对本文要介绍的6种脑电设备主要特点进行了汇总。

 

表1. 几种可穿戴式脑电设备主要技术指标

一、MUSE-2

MUSE-2是加拿大多伦多的一家科技公司InteraXon开发的一款可穿戴脑电设备,用户佩戴此设备,并使用在移动设备中安装的特定软件便可完成脑电波的检测活动。据InteraXon公司介绍,当用户戴上这款设备时,可以非常直观地看到自己的脑部活动变化情况,进而可以更加容易地对自身进行情绪训练。

MUSE-2专注于服务用户,主要针对冥想和睡眠分析。它能够与指定应用程序进行无线实时连接,从而进行神经反馈训练,可连续使用5小时,采样率为256Hz。MUSE-2的主要优势在于可用性(支持蓝牙连接,并且可与内部应用程序轻松交互)、舒适性(轻薄、干电极)以及具备可检测心跳、运动和呼吸的传感器(PPG、加速度计和陀螺仪)。MUSE-2的主要缺点是电极数比较少,只有4个电极,空间分辨率差,通过利用如此少的电极检测到的脑电波来确定大脑活动的位置很困难,对于较复杂的脑认知活动缺乏刻画的能力(相对于电极数目较多的脑电设备)。

MUSE-2的使用范围已经覆盖从健康到娱乐的各种场合,拥有近200篇与其相关的出版物。由于MUSE-2通常被称为是“冥想脑电设备”,下面介绍一个对尼泊尔僧侣进行研究的例子[1]。

来自维多利亚大学和英属哥伦比亚大学的研究人员前往位于珠峰基地的一座修道院,对僧侣在冥想和进行其他活动时的脑电波进行测量和研究。研究结果显示,僧侣的大脑在冥想时仍然非常活跃,与休息时相比,他们的大脑在冥想时会更容易放松、集中和同步。研究人员还发现,僧侣在冥想之后玩电子游戏,他们的脑神经元对视觉的感知会更加敏感。

  

图1. MUSE-2脑电设备示意图;僧侣头戴MUSE-2进行冥想活动

二、EMOTIV-EPOC X

EMOTIV-EPOC X(以下简称EPOC X)无线便携脑电系统是美国加州旧金山的神经科技公司开发的一个全新的人机界面控制系统,该设备利用一部能够测量脑电活动的装置,来实时探测和处理脑电波模式。EPOC X为EPOC+的提升版,最大的改进在于添加了旋转头带,减少补液时间。

与MUSE-2类似,EPOC X也是一种用户友好型头戴式脑电设备,不同的是EPOC X有14个电极,可连续使用时间为6小时并且采样率高达2048Hz。EPOC X的主要优势为它是一款用户友好型的轻量级头戴设备,佩戴很舒适,并支持无线蓝牙连接。主要缺点是用户在使用前需要在传感器上添加特定溶剂,属于湿电极,所以虽然结构上看似简易,但实际使用并不方便。此外,若需要从脑电信号中获取原始数据,用户需要付费订阅。这给科研性质的用户会带来很大的不便。

  

图2. EPOC X脑电设备示意图

由于EPOC X的消费者不是来自非科学界,就是来自超出心理学和医疗保健等传统脑电应用领域之外的研究领域,所以EPOC X的应用场景非常多样。

以下是一些例子:

通过脑机接口(BCI)控制的微型汽车[2],见图3;

由人脑控制的老鼠“电子人”(例如在老鼠的大脑中植入电极)[3]

情绪共鸣。例如播放的音乐类型与脑电图检测到的情绪一致[4];

研究人在城市中行走时对不同地点之间的距离的感知[5]。

图3. 使用EMOTIV-EPOC X通过BCI控制微型汽车

三、Wearable Sensing-DSI 24

DSI-24是美国Wearable Sensing公司研发的一款干电极头戴式脑电设备,电极里面加了弹簧,可以更好的贴合头皮,减少电极对头皮的硬性压力。设计非常便捷,可以在5分钟内记录用户的脑电图,适合在办公室或实验室环境中轻便移动。

DSI-24包含24个电极,采样率为300Hz,通过蓝牙进行无线连接,非常容易构建实验环境。并且在实验结束后,脑电信号的原始数据便可以立即下载,而且可以通过提供的软件进行持续监测。DSI-24的一个突出优点是它包含2个电池盒,也就是在实验过程中可以打开其中一个电池盒更换备用电池,该操作不会中断信号采集,由此便可认为DSI-24可以不限时长的使用。

图4.  DSI-24脑电设备示意图;用户头戴DSI-24脑电设备

尽管DSI-24电极数较多,但佩戴依然有较好的舒适性,设备大小可调节,能够适应各种头部尺寸,实际的测试表明,对于大部分普通被试,连续佩戴一小时以上的可接受程度高。此外,该设备的一个最大的优点是电极属于干电极,使用和维护上相当简易。需要注意的是,对于处理通过DSI-24采集的脑电数据,使用者必须具备相关的脑电技术知识才能胜任。

在2017年,英属哥伦比亚大学的研究团队发表了一项研究,他们在教育背景中使用DSI-24,通过检测学生的脑电信号来评估学生在生物课上回答问题时的认知负荷[6]。

四、OpenBCI-Cyton

Cyton是OpenBCI公司设计的一款干电极头戴式脑电设备。OpenBCI是一家开发低成本开源EEG的公司,目标是帮助对脑科学和脑机接口感兴趣的业余爱好者,以低成本的方式获取脑电信号和数据并进行研究,OpenBCI的产品专注脑机接口来驱动机器和绘制大脑活动。

Cyton设备有16个电极,通过蓝牙进行无线连接,可连续运行24个小时,采样率为250Hz。OpenBCI产品的最大优势是DIY特性,用户可以灵活地改变电极的数量、连接其它类型的传感器或访问其它的开源工具。Cyton的局限性与DSI-24类似,用户需要具备一些编码和神经科学方面的专业知识才能够获得更好的使用效果。

近期,巴西的UTFPR大学在一项研究中使用了OpenBCI的Cyton系统来评估学生通过智能辅导系统(ITS)学习时的情绪,学生情绪的变化会反馈给ITS, ITS可以选择根据学生情绪的变化相应地调整教学内容,以期提高教学质量[7]。在2019年,埃及的一所大学使用OpenBCI脑电设备与VR结合帮助中风患者恢复运动能力,该项目将患者的大脑信号输入到游戏中,通过VR显示,游戏内容会根据患者的大脑信号相应地进行调整,以优化患者的康复运动[8]。天津大学的一个研究团队正在使用OpenBCI脑电设备将BCI连接到机器人可书写的手臂,当受试者看到汉字时,来自受试者大脑的信号就会指示机器人写出所看到的汉字[9]。

  图5. 头戴式OpenBCI脑电设备;通过BCI控制机器人书写汉字

五、CGX-Quick 30

Quick-30是美国CGX公司生产的一款头戴式干电极脑电设备,与Quick-20r相比,Quick-30增加了电极数、增大了采样率并且延长了待机时间。Quick-30结合了大量的机械和结构改进,加快了安装速度,显著提高了耐用性和磨损时间。

Quick-30脑电设备包含30个电极,通过蓝牙进行无线连接,能够连续运行16个小时,采样率可达到1000Hz。与本文提到的其它设备相比,**Quick-30的主要优势是电极数最多,并且具有较高的采样率,可以更好地识别受试者大脑的位置和信号产生的时间,即可以得到更高的空间和时间分辨率。**Quick-30的短板是舒适度,它的重量是一些用户友好型设备的两倍以上,如MUSE-2和EPOC X。

CGX公司的产品应用范围广泛,在全球已有数百家研究机构使用他们的脑电设备。密苏里大学的研究人员使用CGX设备来评估受试者在玩电子游戏时的情绪状态,他们试图区分三种不同的情绪状态:交流、无聊和焦虑,该研究可以为游戏设计者提供反馈,提升游戏的体验感[10]。广州科技大学的研究人员使用CGX设备来评估车辆驾驶员的睡意,通过对受试者的脑电数据进行收集和分析,观察受试者的警觉性水平,评估他们是否感觉疲惫并伴有睡意,这项研究可能有助于降低交通事故的风险概率[11]。

图6. Quick-30脑电设备示意图 ;驾驶员头戴Quick-30脑电设备

六、mBrainTrain-SMARTING mobi

SMARTING mobi是mBrainTrain公司推出的一款小而轻的头戴式湿电极脑电设备,可以随时记录脑电图,与配套的移动应用程序结合使用可以完成高质量的数据记录,能够在实验室和日常生活中实时监测大脑活动。

SMARTING mobi脑电设备包含24个电极,通过蓝牙进行无线连接,可以连续运行5个小时,采样频率为500Hz。SMARTING mobi的主要优势是轻量级,重量不到60克,对于包含24个电极的脑电设备来说是非常轻便的。SMARTING mobi的缺点是用户在使用前需要在传感器上添加特定溶剂,属于湿电极。与上述设备不同的是SMARTING mobi是一个覆盖整个头皮和耳朵的帽子,并不是独立分散的可调节电极的设备。

图7. SMARTING mobi脑电设备示意图

比利时著名大学鲁汶大学使用SMARTING mobi研究受试者居家进行的自然活动,实验对象需要轻松完成各种日常活动,包括看书、看视频、玩数独游戏等,研究人员能够根据受试者的脑电信号检测出敬业度、警觉性和精神负荷指标,该实验的目的是收集在自然环境和实验室环境下的对比数据[12]。维也纳大学和东京大学进行了一项跨文化研究,通过佩戴SMARTING mobi设备观察母子之间的互动,研究结果显示,当奥地利母亲看到一个环境中的物体时,她们更关注物体,而日本母亲则更关注环境[13]。

图8. 头戴SMARTING mobi进行居家自然活动实验

小结:

在本篇文章中,我们结合认知神经科学和教育领域,简单介绍了六种不同类型的商业可穿戴移动脑电设备,包括MUSE-2,EMOTIV-EPOC X,Wearable Sensing-DSI 24,OpenBCI-Cyton,CGX-Quick 30和mBrainTrain-SMARTING mobi,并对这六种脑电设备在实际中的应用进行举例介绍。这些设备各具特点,优势和不足,好的脑电设备不仅能检测到高质量的脑电信号,并且具备较好的佩戴舒适性和实验体验感。不同的脑电设备适用场景不同,对于在教育领域的实际应用,可穿戴式脑电设备是最具潜力进入真实教育场景的脑成像技术门类,基于可穿戴脑电设备的教育研究发展,也非常值得我们共同期待。

参考文献

  1. https://www.ctvnews.ca/health/neurologist-treks-to-everest-to-study-monks-in-meditation-1.3015389
  2. https://www.emotiv.com/blog/developer-project-eeg-controlled-rover-a-brain-computer-interface/
  3. https://www.emotiv.com/independent-studies/human-mind-control-of-rat-cyborgs-continuous-locomotion-with-wireless-brain-to-brain-interface
  4. https://www.emotiv.com/independent-studies/music-emotion-capture-sonifying-emotions-in-eeg-data
  5. https://www.emotiv.com/independent-studies/exploring-distance-perception-in-urban-environments-with-mobile-eeg
  6. Mills, Caitlin & Fridman, Igor & Soussou, Walid & Waghray, Disha & Olney, Andrew & D'Mello, Sidney. (2017). Put your thinking cap on: detecting cognitive load using EEG during learning. 80-89. 10.1145/3027385.3027431.
  7. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-49663-0_8
  8. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9021752
  9. https://ieeexplore.ieee.org/document/9071613
  10. https://aisel.aisnet.org/cgi/viewcontent.cgi?article=1002&context=mwais2017

11.ieeexplore.ieee.org/abstract/do…

12.Zink, Rob & Vos, M. (2018). An afternoon of natural activities at home through the eyes of mobile EEG. 10.13140/RG.2.2.27862.40007.

13.osf.io/g7meu/downl…

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