作者：Rui Yu；Yuanxi Zhu; Yulong Pan; Aijun He 南京大學(xué)
發(fā)表于：The 2024 International Conference on Biomedicine and Intelligent Technology
英文版原文鏈接：https://dl.acm.org/doi/10.1145/3700486.3700494
腦機(jī)接口(BCI)課題逐年受到越來越多的關(guān)注，然而關(guān)于國產(chǎn)芯片在腦電圖(EEG)信號采集可靠性的研究有限。為了展示國產(chǎn)芯片的先進(jìn)性，本文比較了兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)—ADS1299和LHE7909—在EEG應(yīng)用中的性能，其中ADS1299已在多項(xiàng)研究中被證明是可靠的。兩種芯片在捕獲高質(zhì)量EEG信號方面都表現(xiàn)出可靠性，測量的振幅誤差低于2%。在五名來自不同性別和年齡組的參與者上進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)、奇異球(oddball)實(shí)驗(yàn)和認(rèn)知負(fù)荷評估中，它們表現(xiàn)出非常相似的特征。LHE7909甚至在捕獲細(xì)微的EEG特征方面表現(xiàn)更出色，例如響應(yīng)13Hz刺激時(shí)在SSVEP中誘發(fā)的三次諧波分量，尤其是在認(rèn)知負(fù)荷評估中。在P300檢測方面，LHE7909在刺激后約340ms顯示出正波，而ADS1299的潛伏期則為360ms。這些數(shù)據(jù)突顯了國產(chǎn)芯片在EEG研究中的潛在優(yōu)勢。
腦電圖(Electroencephalogram)、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)、P300、認(rèn)知負(fù)荷(Cognitive workload)、ADS1299、LHE7909。
腦電圖(EEG)，也稱為腦電，是由大腦皮層區(qū)域的神經(jīng)元電活動(dòng)產(chǎn)生的微弱生物電信號(考慮到其振幅)。采集非侵入性EEG的普遍方法涉及使用電極帽將電極放置在受試者的頭皮上。EEG信號廣泛應(yīng)用于臨床診斷，特別是在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷中[1]。EEG信號可分為多種類型，其中穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)和事件相關(guān)電位(ERP)是研究最多的類型之一[2]。SSVEP是大腦對特定頻率刺激做出周期性響應(yīng)時(shí)發(fā)生的[3]。另一方面，ERP在視覺和聽覺刺激后的特定時(shí)間窗口內(nèi)表現(xiàn)出特定特征，包括受外部刺激影響的外源性成分和不受外部刺激影響的內(nèi)源性成分。常見的ERP成分包括P1、P2、P3，其中'P'表示正電位。P3或P300是刺激后約300ms出現(xiàn)的一個(gè)被廣泛研究的正電位，在EEG研究中被廣泛關(guān)注[4-5]。經(jīng)典的奇異球范式（oddball paradigm）常被用作ERP的測量方法。該范式由一些非目標(biāo)刺激中隨機(jī)插入若干目標(biāo)刺激組成。受試者將被要求在目標(biāo)刺激出現(xiàn)后執(zhí)行任務(wù)，而對非目標(biāo)刺激則不做出反應(yīng)[6]。通常，目標(biāo)刺激不超過總數(shù)的20%。認(rèn)知負(fù)荷評估可以讓我們觀察EEG的趨勢。隨著受試者認(rèn)知水平的逐漸下降，刺激響應(yīng)也會減弱[7]。因此，這可以被視為衡量芯片捕獲細(xì)微信號特征能力的一種方法。
德州儀器(Texas Instruments)的ADS1299是一款低功耗、低輸入?yún)⒖荚肼暤哪?shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，非常適合EEG信號采集。它已被視為EEG應(yīng)用的理想選擇[8-9]。該芯片在便攜式信號采集系統(tǒng)中的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛和成熟[10-11]。LHE7909是蘇州領(lǐng)慧立芯技術(shù)有限公司(Suzhou Legendsemi Technology)生產(chǎn)的一款產(chǎn)品，專為EEG和其他生理信號測量設(shè)計(jì)的低噪聲ADC，其制造工藝和性能指標(biāo)在中國處于行業(yè)領(lǐng)先地位。
圖1. 總體數(shù)據(jù)采集過程
目前，尚無關(guān)于LHE7909系列在EEG信號測量中應(yīng)用的相關(guān)研究。本研究將通過進(jìn)行幾個(gè)經(jīng)典的EEG實(shí)驗(yàn)來比較這兩種芯片。利用已被證明有效的ADS1299的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們旨在證明LHE7909憑借其性能，同樣能夠勝任所有測量任務(wù)，甚至在特定方面表現(xiàn)更優(yōu)。
2.1. 數(shù)據(jù)采集
整體流程如圖1所示。首先，軟件應(yīng)用程序從采集板中檢索原始EEG數(shù)據(jù)。然后使用實(shí)驗(yàn)室流傳輸層(Lab Streaming Layer, LSL)協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到實(shí)驗(yàn)?zāi)K。在實(shí)驗(yàn)中，基于事件生成標(biāo)記流(marker streams)，以記錄每個(gè)事件的開始和結(jié)束。最后，原始數(shù)據(jù)和標(biāo)記被合并并保存為EDF/BDF文件。
本研究中使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括由我們的通訊作者何艾駿博士設(shè)計(jì)的兩種類型的EEG信號采集板。兩塊板均使用ESP32-S3作為主控芯片，支持三種通信模式：串口、WiFi和藍(lán)牙。兩塊采集板使用了兩種不同的模擬前端芯片，即ADS1299和LHE7909，而其余配置保持不變。此外，我們?yōu)樯衔粰C(jī)開發(fā)了一個(gè)軟件應(yīng)用程序，用于從采集板獲取EEG數(shù)據(jù)流，并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。
在本文中，我們使用串口進(jìn)行采集板與軟件之間的通信。受試者小組包括一名中年男性、三名年齡在23至25歲之間的男性以及一名女性參與者。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在一個(gè)晴朗的日子里在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度約為 25℃，濕度低于30%。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，采集板和軟件應(yīng)用程序都連接到同一臺計(jì)算機(jī)。EEG系統(tǒng)電極放置嚴(yán)格遵循國際10-20系統(tǒng)的規(guī)定。我們使用的16個(gè)電極位點(diǎn)為：Fp1, F3, C3, P3, O1, F7, T3, T5, Fp2, F4, C4, P4, O2, F8, T4 和 T6，包括兩個(gè)額極點(diǎn)(frontal pole sites)、四個(gè)額葉點(diǎn)(frontal sites)、兩個(gè)中央點(diǎn)(central sites)、兩個(gè)頂葉點(diǎn)(parietal sites)、兩個(gè)枕葉點(diǎn)(occipital sites)和四個(gè)顳葉點(diǎn)(temporal sites)。左右耳垂分別用作參考電極(reference)和接地電極(ground)。根據(jù)芯片手冊，ADS1299支持250SPS至16000SPS的數(shù)據(jù)率，而LHE7909聲稱最高可達(dá)32000SPS。考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)對分辨率要求不高，我們不需要過高的采樣率。每秒250個(gè)采樣點(diǎn)已足夠。
為了全面有效地比較兩種ADC在EEG信號測量中的應(yīng)用，我們選擇了兩個(gè)經(jīng)典的EEG實(shí)驗(yàn)范式：穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)和用于誘發(fā)P300成分的奇異球范式(oddball paradigm)。在同時(shí)進(jìn)行的認(rèn)知負(fù)荷測試中，我們將在長達(dá)4小時(shí)的測試中評估參與者疲勞水平對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
對于SSVEP，由于其易于誘發(fā)且在低頻范圍具有較高的信噪比[3]，我們選擇了13Hz的屏幕閃爍刺激。實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)屏幕將顯示以13Hz頻率切換的六邊形圖案。每次試驗(yàn)(trial)包含10個(gè)時(shí)期(epoch)，每個(gè)時(shí)期包括3000ms的閃爍刺激和1000ms的間隔。對于P300，由于其振幅相對較小且難以與噪聲區(qū)分[8]，我們選擇了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三角形圖案作為非目標(biāo)刺激，以及一個(gè)隨機(jī)著色(紅、黃、藍(lán))、大小、位置和旋轉(zhuǎn)的三角形圖案作為目標(biāo)刺激。每次試驗(yàn)包含25個(gè)時(shí)期，每個(gè)時(shí)期包括1000ms的刺激和2000ms的間隔。在每次試驗(yàn)中，目標(biāo)刺激出現(xiàn)5次，占總刺激的20%。
對于認(rèn)知負(fù)荷評估，通過盡可能保持任務(wù)復(fù)雜度不變，我們想測試兩種芯片捕獲極其細(xì)微信號特征的能力。眾所周知，長期任務(wù)和增加的工作負(fù)荷會降低P300[7]，但這對SSVEP任務(wù)的影響有多顯著是值得關(guān)注的。認(rèn)知負(fù)荷任務(wù)在開始約3小時(shí)后進(jìn)行。
濾波。考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中存在 50Hz 的工頻干擾，第一步是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行陷波濾波(notch filtering)。這已使用IIR數(shù)字濾波器完成，具體的傳遞函數(shù)和參數(shù)根據(jù)公式(1-3)推導(dǎo)得出。
此處，H(z) 是傳遞函數(shù)，
是中心頻率(要移除的頻率分量)，r控制濾波器的帶寬，
是陷波濾波器的帶寬，Q是濾波器的品質(zhì)因數(shù)。因此，為處理 50Hz 干擾，我們可以將Q設(shè)置為25, 設(shè)置為2Hz。此配置允許我們?yōu)V除49Hz至51Hz之間的所有分量。
去趨勢(Detrending)。由于實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境干擾等因素，EEG信號可能會出現(xiàn)長期基線漂移。為了最小化基線漂移的影響，我們采用多項(xiàng)式擬合去除信號中的趨勢，如下所示。如公式(4)所示，p(t)代表信號的趨勢項(xiàng)。我們可以得到去趨勢信號，即 xdetrend(t)，如公式(5)所示，其中 x(t) 代表原始信號。
提取時(shí)期(Epoch)。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們根據(jù)刺激出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)生成了相應(yīng)的標(biāo)記(marker)，稱為標(biāo)記流。利用這些標(biāo)記，我們可以精確提取連續(xù)信號段作為多個(gè)單次試驗(yàn)(single trials)，然后我們可以疊加來自不同時(shí)間間隔的這些信號，以減少偶然的噪聲波動(dòng)。
獨(dú)立成分分析(ICA)。EEG信號是混合信號，可被視為多個(gè)獨(dú)立成分的線性組合。獨(dú)立成分分析(ICA)是一種用于盲源分離的算法，可以將EEG信號分解為多個(gè)獨(dú)立的神經(jīng)活動(dòng)。例如，它可以提取眼動(dòng)偽影、肌肉偽影、心電偽影、出汗、電極移動(dòng)等。然后可以去除這些成分以提高信號質(zhì)量。每個(gè)獨(dú)立成分盡可能相互不相關(guān)。
所有規(guī)格均在AVDD=5V條件下測試，ADC分辨率為0.3μV。在進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)之前，我們依次將兩個(gè)數(shù)據(jù)采集板連接到同一個(gè)信號發(fā)生器。我們應(yīng)用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的10Hz正弦波信號，持續(xù)30秒，振幅為50μV。測得ADS1299的平均峰峰值(peak-to-peak)為49.66μV，LHE7909為49.43μV，兩者均小于2%。
3.1. P300檢測
根據(jù)規(guī)范完成奇異球?qū)嶒?yàn)后，我們獲得了經(jīng)過50Hz陷波濾波處理的EEG數(shù)據(jù)。我們也像之前一樣，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了三階多項(xiàng)式擬合。
鑒于P300成分主要集中在 θ波(4-8Hz)，我們對信號應(yīng)用了14Hz低通濾波器，該濾波器保留了所有δ波、θ波、α波。
對于ADS1299，如圖2(a)所示，我們可以觀察到非常明顯的P100、P200、P300和N400成分。P300成分占主導(dǎo)地位，在 360ms左右出現(xiàn)一個(gè)約10μV的顯著正波，明顯高于其他成分。對于LHE7909的實(shí)驗(yàn)，如圖2(b)所示，我們也觀察到非常明顯的P100、P200、P300和N400成分。相比之下，P300成分的正波幅度并不突出。在 340ms左右出現(xiàn)一個(gè)約5μV的正波，而P100和P200成分更大，振幅均超過10μV。
圖2. ADS1299和LHE7909的P300檢測圖
我們也嘗試使用ICA分析去除眼動(dòng)、肌肉活動(dòng)和心電信號等偽影。然而，在提取前9個(gè)成分后，我們沒有觀察到明顯的偽影痕跡，如圖3所示。因此，我們認(rèn)為獲得的頭皮EEG信號相對純凈，表明上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很高的可靠性。
圖3. ADS1299和LHE7909的獨(dú)立成分分析
我們獲得了通過LSL協(xié)議傳輸?shù)摹⒔?jīng)過50Hz陷波濾波的原始EEG數(shù)據(jù)。然后使用三階多項(xiàng)式擬合對數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢處理。我們也獲得了放松狀態(tài)的數(shù)據(jù)作為比較。ADS1299的FFT結(jié)果如圖4(a)所示。很明顯，在13Hz處出現(xiàn)了一個(gè)與刺激同步的顯著峰值。為了觀察更多細(xì)節(jié)，我們選擇了一對對稱排列的16個(gè)電極，即O1-O2。可以看出，在13Hz處的信噪比最高，其振幅在圖4(b)中超過1.4μV。甚至在26Hz處也出現(xiàn)了輕微的諧波分量。但3小時(shí)后，如圖4(c-d)所示，13Hz處的波幅急劇下降，我們幾乎無法分辨26Hz處的諧波分量。
圖4. SSVEP數(shù)據(jù)（ADS1299）
對于LHE7909，在圖5(a-b)中，我們也可以觀察到13Hz和26Hz處顯著的諧波分量。與ADS1299非常相似，O1-O2在13Hz處的信噪比也是最高的。總的來說，LHE7909表現(xiàn)出稍多的低頻噪聲。然而，不可否認(rèn)的是，在認(rèn)知負(fù)荷評估中，LHE7909表現(xiàn)得無可挑剔，因?yàn)閳D5(c)中26Hz和圖5(d)中39Hz的分量非常顯著。
圖5. SSVEP（LHE7909）的數(shù)據(jù)
我們還使用MNE進(jìn)行了功率譜密度(PSD)分析，結(jié)果如圖6(a-b)所示。可以觀察到，LHE7909在預(yù)期出現(xiàn)諧波分量的電極點(diǎn)上表現(xiàn)出更集中的能量，其中最顯著的表現(xiàn)在位于枕葉的電極O1-O2。
圖6. ADS1299（a）和LHE7909（b）的功率譜密度分析
本研究對國產(chǎn)ADC芯片LHE7909與成熟的ADS1299在EEG信號采集方面進(jìn)行了令人信服的比較。兩種芯片都表現(xiàn)出可靠性，振幅誤差低于2%，證實(shí)了它們捕獲高質(zhì)量EEG信號的能力。特別是LHE7909，顯示出承諾的結(jié)果，在檢測細(xì)微EEG特征方面表現(xiàn)出色，例如響應(yīng)13Hz刺激時(shí)在SSVEP中誘發(fā)的三次諧波分量。此外，在認(rèn)知負(fù)荷測試中，該芯片仍能檢測到ADS1299完全無法檢測到的細(xì)微響應(yīng)。再者，LHE7909在P300檢測中的表現(xiàn)值得關(guān)注，其正波出現(xiàn)在約340ms。這些發(fā)現(xiàn)突顯了國產(chǎn)芯片的先進(jìn)性，強(qiáng)調(diào)了它們在EEG研究中的潛在優(yōu)勢和貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，國產(chǎn)芯片可以與國際上成熟的替代品競爭，并在某些情況下超越它們，為該領(lǐng)域的未來創(chuàng)新鋪平了道路。
感謝南京大學(xué)的各位學(xué)者對LHE7909的全面評測及客觀的評價(jià)，為推動(dòng)國產(chǎn)化高端芯片應(yīng)用落地做出的積極貢獻(xiàn)，領(lǐng)慧立芯繼續(xù)加油。
