脑电是一门古老的脑成像技术，但迄今为止也仍然是最具生命力的支流脑成像技术之一。这次要得益于相比其余脑成像技术，脑电设备具备便携性好，应用成本低，无创，高工夫分辨率，和丰盛的频率信息等劣势。对于在教育领域的理论利用，以后正处于蓬勃发展中的可穿戴式脑电设备，是最具后劲进入实在教育场景的脑成像技术门类，因为它在便携性，老本，应用的繁难性方面领有更显著的劣势。
本文的次要目标是针对现有不同类型的商业可穿戴式脑电设备及其利用做一个简略剖析和介绍。依据不同的脑电设备在认知神经科学和教育穿插畛域的遍及水平和潜在适用性，咱们比照了以下 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
辨别脑电设备的基本要素通常蕴含以下四点：
1．电极数：电极即小的金属传感器，能够探测到大脑的信号，一般来说，电极数越多，检测到的脑电波成果越好，能够执行的脑电剖析也越为宽泛深刻。
2．湿电极或干电极：湿电极须要在试验前在每个电极上涂上导电凝胶或盐水，而干电极则不须要，干电极具备更舒服的体验感。
3．有线或无线：本文中提到的所有设施都是无线设施，也能够称为‘挪动的’设施，有线脑电设备次要用于前沿钻研和医学畛域。设施的移动性和便携性对理论利用十分重要。
4．佩戴的舒服 / 可接受程度：脑电设备佩戴的舒适性会间接影响被试者的试验状态，佩戴较舒服的脑电设备会带来更好的试验成果，才有机会走入理论利用。
除了以上根本因素，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，较高的采样率反对较高的工夫分辨率。此外，电池可间断应用工夫也是一个重要因素，该因素会限度试验可进行的工夫，对试验的完整性具备重要意义。
表 1 对本文要介绍的 6 种脑电设备次要特点进行了汇总。
表 1. 几种可穿戴式脑电设备次要技术指标
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，用户佩戴此设施，并应用在挪动设施中装置的特定软件便可实现脑电波的检测流动。据 InteraXon 公司介绍，当用户戴上这款设施时，能够十分直观地看到本人的脑部流动变动状况，进而能够更加容易地对本身进行情绪训练。
MUSE- 2 专一于服务用户，次要针对冥想和睡眠剖析。它可能与指定应用程序进行无线实时连贯，从而进行神经反馈训练，可间断应用 5 小时，采样率为 256Hz。MUSE- 2 的次要劣势在于可用性（反对蓝牙连贯，并且可与外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、静止和呼吸的传感器（PPG、加速度计和陀螺仪）。MUSE- 2 的次要毛病是电极数比拟少，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流动的地位很艰难，对于较简单的脑认知流动不足刻画的能力（绝对于电极数目较多的脑电设备）。
MUSE- 2 的应用范畴曾经笼罩从衰弱到娱乐的各种场合，领有近 200 篇与其相干的出版物。因为 MUSE- 2 通常被称为是“冥想脑电设备”，上面介绍一个对尼泊尔僧侣进行钻研的例子[1]。
来自维多利亚大学和英属哥伦比亚大学的钻研人员返回位于珠峰基地的一座修道院，对僧侣在冥想和进行其余流动时的脑电波进行测量和钻研。钻研结果显示，僧侣的大脑在冥想时依然十分沉闷，与劳动时相比，他们的大脑在冥想时会更容易放松、集中和同步。钻研人员还发现，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 进行冥想流动
二、EMOTIV-EPOC X
EMOTIV-EPOC X（以下简称 EPOC X）无线便携脑电零碎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，该设备利用一部可能测量脑电流动的安装，来实时探测和解决脑电波模式。EPOC X 为 EPOC+ 的晋升版，最大的改良在于增加了旋转头带，缩小补液工夫。
与 MUSE- 2 相似，EPOC X 也是一种用户敌对型头戴式脑电设备，不同的是 EPOC X 有 14 个电极，可间断应用工夫为 6 小时并且采样率高达 2048Hz。EPOC X 的次要劣势为它是一款 用户敌对型的轻量级头戴设施，佩戴很舒服，并反对无线蓝牙连贯。次要毛病是用户在应用前须要在传感器上增加特定溶剂，属于湿电极，所以尽管构造上看似繁难，但理论应用并不不便。此外，若须要从脑电信号中获取原始数据，用户须要付费订阅。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
因为 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钻研畛域，所以 EPOC X 的利用场景十分多样。
以下是一些例子：
通过脑机接口（BCI）管制的微型汽车[2]，见图 3；
由人脑管制的老鼠“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统一[4]；
钻研人在城市中行走时对不同地点之间的间隔的感知[5]。
图 3. 应用 EMOTIV-EPOC X 通过 BCI 管制微型汽车
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，电极外面加了弹簧，能够更好的贴合头皮，缩小电极对头皮的硬性压力。设计十分便捷，能够在 5 分钟内记录用户的脑电图，适宜在办公室或实验室环境中轻便挪动。
DSI-24 蕴含 24 个电极，采样率为 300Hz，通过蓝牙进行无线连接，非常容易构建试验环境。并且在试验完结后，脑电信号的原始数据便能够立刻下载，而且能够通过提供的软件进行继续监测。DSI-24 的一个突出长处是它蕴含 2 个电池盒，也就是在试验过程中能够关上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 能够不限时长的应用。
图 4. DSI-24 脑电设备示意图；用户头戴 DSI-24 脑电设备
只管 DSI-24 电极数较多，但佩戴仍然有较好的舒适性，设施大小可调节，可能适应各种头部尺寸，理论的测试表明，对于大部分一般被试，间断佩戴一小时以上的可接受程度高。此外，该设施的一个最大的长处是电极属于干电极，应用和保护上相当繁难。须要留神的是，对于解决通过 DSI-24 采集的脑电数据，使用者必须具备相干的脑电技术常识能力胜任。
在 2017 年，英属哥伦比亚大学的钻研团队发表了一项钻研，他们在教育背景中应用 DSI-24，通过检测学生的脑电信号来评估学生在生物课上答复问题时的认知负荷[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，指标是帮忙对脑科学和脑机接口感兴趣的业余爱好者，以低成本的形式获取脑电信号和数据并进行钻研，OpenBCI 的产品专一脑机接口来驱动机器和绘制大脑流动。
Cyton 设施有 16 个电极，通过蓝牙进行无线连接，可间断运行 24 个小时，采样率为 250Hz。OpenBCI 产品的最大劣势是 DIY 个性，用户能够灵便地扭转电极的数量、连贯其它类型的传感器或拜访其它的开源工具。Cyton 的局限性与 DSI-24 相似，用户须要具备一些编码和神经科学方面的专业知识才可能取得更好的应用成果。
近期，巴西的 UTFPR 大学在一项钻研中应用了 OpenBCI 的 Cyton 零碎来评估学生通过智能辅导零碎（ITS）学习时的情绪，学生情绪的变动会反馈给 ITS, ITS 能够抉择依据学生情绪的变动相应地调整教学内容，以期进步教学质量[7]。在 2019 年，埃及的一所大学应用 OpenBCI 脑电设备与 VR 联合帮忙中风患者复原静止能力，该我的项目将患者的大脑信号输出到游戏中，通过 VR 显示，游戏内容会依据患者的大脑信号相应地进行调整，以优化患者的痊愈静止[8]。天津大学的一个钻研团队正在应用 OpenBCI 脑电设备将 BCI 连贯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批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 管制机器人书写汉字
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 减少了电极数、增大了采样率并且缩短了待机时间。Quick-30 联合了大量的机械和构造改良，放慢了装置速度，显著进步了耐用性和磨损工夫。
Quick-30 脑电设备蕴含 30 个电极，通过蓝牙进行无线连接，可能间断运行 16 个小时，采样率可达到 1000Hz。与本文提到的其它设施相比，Quick-30 的次要劣势是电极数最多，并且具备较高的采样率，能够更好地辨认受试者大脑的地位和信号产生的工夫，即能够失去更高的空间和工夫分辨率。Quick-30 的短板是舒适度，它的分量是一些用户敌对型设施的两倍以上，如 MUSE- 2 和 EPOC X。
CGX 公司的产品利用范畴宽泛，在寰球已有数百家钻研机构应用他们的脑电设备。密苏里大学的钻研人员应用 CGX 设施来评估受试者在玩电子游戏时的情绪状态，他们试图辨别三种不同的情绪状态：交换、无聊和焦虑，该钻研能够为游戏设计者提供反馈，晋升游戏的体验感[10]。广州科技大学的钻研人员应用 CGX 设施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剖析，察看受试者的警觉性程度，评估他们是否感觉疲乏并伴有睡意，这项钻研可能有助于升高交通事故的危险概率[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，能够随时记录脑电图，与配套的挪动应用程序联合应用能够实现高质量的数据记录，可能在实验室和日常生活中实时监测大脑流动。
SMARTING mobi 脑电设备蕴含 24 个电极，通过蓝牙进行无线连接，能够间断运行 5 个小时，采样频率为 500Hz。SMARTING mobi 的次要劣势是轻量级，分量不到 60 克，对于蕴含 24 个电极的脑电设备来说是十分轻便的。SMARTING mobi 的毛病是用户在应用前须要在传感器上增加特定溶剂，属于湿电极。与上述设施不同的是 SMARTING mobi 是一个笼罩整个头皮和耳朵的帽子，并不是独立扩散的可调节电极的设施。
图 7. SMARTING mobi 脑电设备示意图
比利时驰名大学鲁汶大学应用 SMARTING mobi 钻研受试者居家进行的天然流动，试验对象须要轻松实现各种日常流动，包含看书、看视频、玩数独游戏等，钻研人员可能依据受试者的脑电信号检测出敬业度、警觉性和精力负荷指标，该试验的目标是收集在自然环境和实验室环境下的比照数据[12]。维也纳大学和东京大学进行了一项跨文化钻研，通过佩戴 SMARTING mobi 设施察看母子之间的互动，钻研结果显示，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 进行居家天然流动试验
小结：
在本篇文章中，咱们联合认知神经科学和教育领域，简略介绍了六种不同类型的商业可穿戴挪动脑电设备，包含 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理论中的利用进行举例介绍。这些设施各具特点，劣势和有余，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试验体验感 。不同的脑电设备实用场景不同，对于在教育领域的理论利用，可穿戴式脑电设备是最具后劲进入实在教育场景的脑成像技术门类， 基于可穿戴脑电设备的教育钻研倒退，也十分值得咱们独特期待。
参考文献
- https://www.ctvnews.ca/health/neurologist-treks-to-everest-to-study-monks-in-meditation-1.3015389
- https://www.emotiv.com/blog/developer-project-eeg-controlled-rover-a-brain-computer-interface/
- https://www.emotiv.com/independent-studies/human-mind-control-of-rat-cyborgs-continuous-locomotion-with-wireless-brain-to-brain-interface
- https://www.emotiv.com/independent-studies/music-emotion-capture-sonifying-emotions-in-eeg-data
- https://www.emotiv.com/independent-studies/exploring-distance-perception-in-urban-environments-with-mobile-eeg
- 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.
- https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-49663-0_8
- https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9021752
- https://ieeexplore.ieee.org/document/9071613
- 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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