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人脑电信号实时监测原型系统设计与实现
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摘要：1 引言 脑电信号是大脑皮层产生的一种复杂而不平稳的随机信号，是人体中最重要的生物电信号之一，蕴含了丰富的生理信息。通过检测相关脑电信号得到的脑电图可以对人的大脑及神
1 引言
脑电信号是大脑皮层产生的一种复杂而不平稳的随机信号，是人体中最重要的生物电信号之一，蕴含了丰富的生理信息。通过检测相关脑电信号得到的脑电图可以对人的大脑及神经系统疾病[1]进行诊断和治疗。近些年已涌现出一些脑电监测技术[2]，如功能磁共振成像、经颅多普勒检测、正电子发射断层扫描技术、光成像技术、脑磁图、脑电图等，这些脑电检测技术也在智能保健领域发挥着重大的作用。随着科技的发展，人们对脑电检测和处理系统的便携化、小型化要求也越来越高，所以脑电检测和处理系统已开始向便携化发展，如美国Cyberkinetics公司研制了一种面积只有4 mm2内部含有96个电极的芯片，将芯片植入到四肢瘫痪病人体内，可以利用脑-机接口帮助病人控制机械臂[3]；德国DWL、美国Neuroscan等脑电仪器的研发和生产企业通过自主开发的仪器也开展了对脑电的相关研究[4]。国内的脑电图检测仪器起步相对较晚，从整体来看，国内的研究机构在设计便携式脑电检测仪器的思路大多是采集的脑电信号经过前置放大，通过无线模块传输传递给PC机，在PC机中进行处理与存储等工作。由于整个系统比较大，不能实现便携使用，也难以实现对监测人的自动实时监测和异常判断，无法及时监控脑疾患者的当前状态和实时位置，在病患突发状况时难以在最短的时间内预警、发现和实施救援。为解决上述问题，本文基于位置服务和无线通信技术研究了一种脑电实时监测方法，解决现有的监测系统难以自动实时监测和异常判断的问题，并提出了及时监控和结合携带者位置而判断出合理的救援路线的方法。
2 脑电实时监测方法
目前，国内外研究机构通过基于脑电信号的实时监测和诊断所产生的状态开展了相关研究，如李明爱等[5]通过对脑电信号的监测开展了对警觉度进行标注、估计和实时监测的研究。冯知音[6]将脑电信号用在身份识别及疲劳检测中，该研究基于脑电信号的疲劳检测实验，实现了基于马氏距离和频谱区分性检测的方法。Holling[7]基于EEG功率谱分析微睡状态及失误的检测等。谢宏等[8]、丁超[9]分别研究了一种便携式脑电采集系统，具有小型化、无线传输、便于携带、移动等特点。上述研究通过监测脑电信号实现了对警觉度、疲劳度和睡眠等相关的生理研究，或是研究了脑电信号实时采集方法，但并未涉及所监测对象的位置信息以及对监测信息进行异常分析等。王兴元等[10-12]通过研究EEG信号的相图、功率谱、关联维数和Lyapunov指数等，提出了一种定量研究EEG的新方法进行脑损伤的早期诊断，该方法对脑电信号的异常监测提供了很好的参考。
本文将脑电信号与位置服务信息相融合，通过建立脑电信号异常判断模型，开发脑电信号实时监测仪和脑电信号实时监测系统，从而实现对监测对象的动态实时监控与应急响应救援。
3 基于LBS和无线通信的人脑电信号实时动态监测方法
为实现用户脑电信号的实时动态监测，本文基于无线通信技术和LBS设计了一种人脑电信号的实时动态监测方法：脑电电极片通过蓝牙模块与移动终端进行连接，将所监测的实时脑电信号数据通过无线网络发送至服务器端，服务器端通过多线程技术实时监听来自移动终端的脑电信号，具体流程如图1所示。
图1 脑电信息实时监测流程
具体实现步骤如下：（1）脑电采集设备通过蓝牙通信协议与手机移动终端建立连接，将监测脑电数据传至手机客户端，并将实时显示脑电监测数据；同时与位置信息数据一起发送至服务器端。（2）在服务器端创建一个ServerSocket套接字对象，并绑定对应端口实现监听服务；通过调用accept方法实时等待监听是否有客户端的连接。若有，则返回Socket对象，实现向客户端读写数据等操作。（3）通过对EEG历史特征参数的提取、过滤、降噪等的处理及分析，建立异常阈值判断模型，服务器端对所接收到的实时脑电信号数据进行异常判断与应急响应。（4）在客户端开发脑电实时监测数据显示界面，实现数据的实时显示与动态监测，一旦发现异常，系统可在最短的时间内进行应急响应，如通知监护人、规划出最优救援路径等。
4 原型系统实现
4.1 体系结构
为实现脑电信号的实时动态监测，在脑电信号异常时能够快速预警和响应，以实现对路径进行合理的规划并可及时救援，本文设计了人脑脑电信号实时动态监测框架体系结构与工作流程如图2所示，整个系统共分为4层。（1）感知层：主要采用标准导联方式通过脑电监测模块实现脑电数据的采集，并通过位置定位模块实时获取其空间位置信息。（2）网络层：实现空间位置信息数据与脑电数据的融合，通过GIS、无线通信网络传输技术与移动终端相集成，将移动终端所采集的空间位置数据与脑电信号数据传输至服务器。（3）平台层：开发基于移动终端和无线通信网络的WebGIS系统，构建脑电信号异常判断模型，并实现在该平台层中的数据查询、数据异常分析和实时应急响应等。（4）应用层：为用户提供多种业务功能，如脑电信号的显示、最佳救援路径规划和历史轨迹回溯等功能。
文章来源：《智慧健康》 网址: http://www.zhjkzz.cn/qikandaodu/2020/0720/401.html