摘 要：設(shè)計(jì)一款采用腦電波技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，用于檢測(cè)年輕人在現(xiàn)代生活壓力下的心理狀態(tài)。通過(guò)佩戴神念科技（NeuroSky）出品的MindWave Mobile耳機(jī)，實(shí)時(shí)檢測(cè)佩戴者額葉腦波信號(hào)。利用傅里葉變換算法分析腦波能量值，并結(jié)合獨(dú)特的腦意識(shí)分類算法對(duì)其進(jìn)行分析。通過(guò)能量值的特征提取和模型分析對(duì)比，結(jié)合十大情緒核心指標(biāo)、eSense“專注度”指標(biāo)和腦電波分析，檢測(cè)個(gè)體的心理健康情況。程序?qū)z測(cè)信號(hào)處理為具體指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)用戶心理健康檢測(cè)，并提供相關(guān)治療措施。該系統(tǒng)能夠較好地進(jìn)行心理健康檢測(cè)與診療康復(fù)，具有廣闊的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：腦波檢測(cè)；心理健康；信號(hào)去噪；分類算法；FISTA_tail；腦波分析

中圖分類號(hào)：TP391.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏的加快和各種競(jìng)爭(zhēng)壓力的不斷增大，心理健康的檢測(cè)與診斷倍受關(guān)注。過(guò)去，由于患者對(duì)心理評(píng)估的回答主觀性較強(qiáng)，針對(duì)心理健康問(wèn)題的準(zhǔn)確診斷曾是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。然而，隨著腦電圖（EEG）技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始將其應(yīng)用于診斷多種神經(jīng)系統(tǒng)和心理疾病，包括抑郁癥等。這一進(jìn)展為更精準(zhǔn)地識(shí)別和理解各種心理疾病提供了新的工具和可能性。

在當(dāng)前背景下，如何有效地將EEG技術(shù)應(yīng)用于心理健康評(píng)估與治療成為一個(gè)重要議題。腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface）憑借其天然的優(yōu)勢(shì)被視為解決心理健康問(wèn)題的重要工具。

腦機(jī)接口即“腦機(jī)融合感知技術(shù)”，它無(wú)需經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的肌肉或神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)建立人腦與外部設(shè)備之間的通信連接，便能使大腦與外部設(shè)備交互。人類大腦在不同的情緒狀態(tài)下腦電信號(hào)會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的變化。對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)、處理，并將其數(shù)字化，采用分類算法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分類，從而構(gòu)建訓(xùn)練模型，使人們能夠通過(guò)這些數(shù)字信號(hào)了解個(gè)體的不同心態(tài)與情緒。這為檢測(cè)個(gè)體心理是否健康提供了重要的途徑，成為醫(yī)學(xué)與人工智能交叉領(lǐng)域中的關(guān)鍵。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，盡管腦機(jī)接口的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但相關(guān)研究更側(cè)重于如何利用腦電信號(hào)來(lái)控制外部設(shè)備[1-4]，在情緒與心理健康檢測(cè)方面，尚未有深入的研究。盡管文獻(xiàn)[5]詳細(xì)描述了如何利用腦電信號(hào)進(jìn)行情感識(shí)別，但目前仍未達(dá)到能夠全面檢測(cè)心理健康狀態(tài)的水平。因此，需要采用新的更簡(jiǎn)便的方法，以更有效地識(shí)別個(gè)體的心理健康情況。

本文使用NeuroSky出品的可穿戴藍(lán)牙耳機(jī)腦電采集設(shè)備（NeuroSky Headset）[6]對(duì)佩戴者額葉腦波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以獲取腦波數(shù)據(jù)。通過(guò)算法對(duì)采集的腦波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括缺失片段的恢復(fù)[7]和降噪處理等，隨后與EEG中的十大情緒指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，從而獲取個(gè)體的心理健康狀況。該系統(tǒng)具備評(píng)估個(gè)體心理健康狀況的能力，滿足了當(dāng)代青年在面對(duì)日常壓力和情緒波動(dòng)時(shí)對(duì)心理健康檢測(cè)和自主診療的需求。

1 腦波檢測(cè)與分析處理

1.1 腦波的基礎(chǔ)理論

腦波，又被稱為“腦電波”，描繪了人腦內(nèi)因細(xì)胞活動(dòng)引起的電位變化而通過(guò)儀器呈現(xiàn)出的波形。人腦由數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元組成，而腦電波則是這些神經(jīng)元相互作用時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)。腦波的生成不受人體當(dāng)前活動(dòng)或情緒狀態(tài)的限制，會(huì)持續(xù)不斷地產(chǎn)生。

人類主要的腦波波形可根據(jù)頻率從低至高分為5類，包括：δ波、θ波、α波、β波以及γ波[8]。這些波形的變化能夠反映一個(gè)人當(dāng)前大腦的狀態(tài)，如緊張程度、注意力集中程度等?；谡也?gòu)造的腦波波形如圖1所示。表1列出了腦波的種類、頻率以及特性。其中α波和β波是應(yīng)用最廣泛的波形，通過(guò)波形阻斷分析可以得出眨眼產(chǎn)生的眨眼腦電波。腦電波的發(fā)現(xiàn)，為人類量化情緒、分析解決心理問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。

1.2 腦波的檢測(cè)

腦機(jī)接口系統(tǒng)的輸入信號(hào)可分為3種形式：非侵入式、半侵入式和侵入式。實(shí)施侵入式和半侵入式的方式需要進(jìn)行大腦手術(shù)，以植入電極或芯片。盡管這2種方法能夠獲取高質(zhì)量的大腦信號(hào)，并具有卓越的時(shí)間和空間分辨率，但伴隨有較高的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和昂貴的費(fèi)用。非侵入式腦機(jī)接口采用頭皮EEG，直接從大腦外部獲取信號(hào)。盡管這種采集方式存在一些限制，例如腦電信號(hào)的精度相對(duì)較低和存在較大的噪聲，但由于其相對(duì)安全和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，仍然是一種可行的方法。該方法通過(guò)監(jiān)測(cè)額葉上的電位變化來(lái)獲取原始的腦波數(shù)據(jù)，采集時(shí)將腦環(huán)佩戴在額頭并掛在雙耳上。腦環(huán)內(nèi)部配備有3個(gè)電極，其中2個(gè)電極分別位于測(cè)試者的雙耳處，第3個(gè)電極位于采集者的前額，以捕捉腦電信號(hào)的變化。

本文采用NeuroSky出品的MindWave Mobile耳機(jī)，其包括TGAM腦電圖采集模塊（用于腦電圖采集）、前額電極（作為參考點(diǎn)）、耳夾電極（用作接地電路）、藍(lán)牙傳輸模塊、藍(lán)牙接收模塊以及連接到該設(shè)備的計(jì)算機(jī)[9]，由MindWave移動(dòng)耳機(jī)處理和輸出腦波譜、原始腦波、EEG信號(hào)質(zhì)量參數(shù)和2個(gè)NeuroSky參數(shù)：注意力值和冥想檢測(cè)值。該設(shè)備采用了一種干式傳感器，無(wú)需使用生理鹽水或凝膠便可確保傳感器與前額表面貼合，同時(shí)還能保證低噪聲獲取腦電圖信號(hào)。腦波檢測(cè)設(shè)備的佩戴方式如圖2所示。

1.3 腦波的分析處理

在正常情況下，人類腦波的頻率范圍[4]為2.8～45.9 Hz，因此本文只保留這個(gè)范圍內(nèi)的波動(dòng)信號(hào)，將其作為主要提取對(duì)象。此外，針對(duì)設(shè)備異常導(dǎo)致部分信號(hào)片段丟失或者噪聲信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)一致，導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別的情況，本文采用線性模型進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)，以提升信號(hào)獲取的準(zhǔn)確性。

在信號(hào)重組過(guò)程中，本文采用的基本模型如式（1）所示：

y=Ax+e" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：y為觀測(cè)信號(hào)；e為噪聲。本文的目標(biāo)在于求解min（Ax-y），對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，本文采用尾部快速迭代軟閾值算法（FISTA_tail）[7]求解。

腦電信號(hào)通常很微弱，在采集時(shí)容易受到其他噪聲信號(hào)的干擾。雖然NeuroSky的MindWave Mobile耳機(jī)能有效減少噪聲干擾，但采集的信號(hào)中仍存在一些噪聲，因此在后續(xù)操作之前，本文首先需要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行去噪處理。

實(shí)現(xiàn)信號(hào)去噪的主要方法包括濾波去噪、小波變換和傅里葉變換等[10]。本文采用傅里葉變換，將腦電波信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，獲取腦電波信號(hào)的頻率、功率等參數(shù)。對(duì)于一個(gè)連續(xù)信號(hào)x（t），將其經(jīng)過(guò)傅里葉變換后得到的X（f）定義為：

（2）

式中：t表示時(shí)間；j表示虛數(shù)單位；f表示頻率。

在探索階段，本文通過(guò)使用耳機(jī)記錄了500多位測(cè)試者在整個(gè)心理咨詢過(guò)程中的腦電波。本文觀察到，當(dāng)受試者處于抑郁狀態(tài)時(shí)，他們的“注意力”信號(hào)的腦電波呈現(xiàn)出一種特殊的m型。具體而言，在受試者接受抑郁癥心理咨詢干預(yù)時(shí)，本文首次觀察到了一個(gè)明顯的m型波形。值得注意的是，圖3中用白色圓圈圈出的這一波形在受試者表現(xiàn)出抑郁癥狀，如提到無(wú)助感或自殺念頭時(shí)，反復(fù)出現(xiàn)在“注意力”和“冥想”信號(hào)中。

因此，本文提出假設(shè)：當(dāng)受試者處于抑郁狀態(tài)時(shí)，他們的“注意力”信號(hào)中將出現(xiàn)m型波形?；谶@一現(xiàn)象，本文選擇采用基于腦電波對(duì)比的方法來(lái)識(shí)別抑郁狀態(tài)，并采用了詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)m型波形進(jìn)行分類[11]。

2 心理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本文的系統(tǒng)運(yùn)行流程基于公開(kāi)的志愿者及組織機(jī)構(gòu)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)。首先，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)按心理狀況進(jìn)行細(xì)致分類，如將抑郁癥、焦慮癥等不同心理狀態(tài)的腦部數(shù)據(jù)分別歸類，并進(jìn)一步根據(jù)其嚴(yán)重程度（如輕度、中度、重度）進(jìn)行子分類。接下來(lái)，在數(shù)據(jù)處理階段，采用快速傅里葉變換（FFT），將腦波時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，以便更準(zhǔn)確地分析和構(gòu)建特定腦波模式的圖像。此外，本文還運(yùn)用了先進(jìn)的區(qū)域FasterRCNN圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)腦波數(shù)據(jù)的圖像進(jìn)行了深層次分析。通過(guò)這種方法，可以識(shí)別出特定心理狀況下的腦波特征，例如在抑郁癥患者中，某些特定的腦波形態(tài)（如m波形）可能更為明顯。系統(tǒng)將這些特征與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而提高識(shí)別準(zhǔn)確性。分析結(jié)果會(huì)依據(jù)與現(xiàn)有模式的相似度，確定最可能的心理狀態(tài)，并將這些新的發(fā)現(xiàn)反饋到數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新和優(yōu)化。此過(guò)程不僅增強(qiáng)了人們對(duì)不同心理狀態(tài)的識(shí)別能力，而且通過(guò)持續(xù)學(xué)習(xí)和適應(yīng)，能夠不斷提升系統(tǒng)的判斷準(zhǔn)確性。

心理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用先進(jìn)的腦波檢測(cè)技術(shù)和腦機(jī)接口系統(tǒng)，為腦波數(shù)據(jù)的提取和分析提供了必要條件。該系統(tǒng)的使用步驟分為：佩戴使用者腦環(huán)、APP監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、生成指數(shù)、生成報(bào)告（含干預(yù)方案）。

當(dāng)使用者佩戴好腦環(huán)后，腦環(huán)內(nèi)的傳感器便開(kāi)始通過(guò)提前設(shè)置好的生物特征標(biāo)準(zhǔn)去感受被測(cè)量的信息，并將感受到的信息按所規(guī)定的規(guī)律變換為電信號(hào)或其他所需形式的信號(hào)進(jìn)行輸出，以達(dá)到腦波信息傳輸、處理、存儲(chǔ)、記錄等要求。在信息被傳輸?shù)皆贫撕螅到y(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行心境團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的腦波信息分析代碼，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把數(shù)據(jù)按抑郁心理和身體焦慮、情緒管理能力、睡眠質(zhì)量、內(nèi)心修復(fù)能力、沉浸度、慧熵質(zhì)量、創(chuàng)新思維以及精神疲勞等進(jìn)行歸類整理并反映到APP上，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)合信息庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)使用者的心理狀態(tài)進(jìn)行分析并為干預(yù)方向和需要采取的措施提供參考，使其轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單易理解的語(yǔ)言展示在給用戶呈現(xiàn)的分析報(bào)告中。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一款基于腦電分析的系統(tǒng)，采用新型的信號(hào)對(duì)比方式來(lái)檢測(cè)個(gè)體心理健康狀況同時(shí)結(jié)合了NeuroSky穿戴設(shè)備對(duì)測(cè)得的腦波信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。本文通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在抑郁情況下，“注意力”信號(hào)呈現(xiàn)出一種特殊的m型波形。因此本文采用特定算法對(duì)比處理腦電信號(hào)，以檢測(cè)是否存在這種獨(dú)特的m型波形，從而判斷個(gè)體是否處于抑郁狀態(tài)。系統(tǒng)為測(cè)試者提供檢測(cè)結(jié)果，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果提供相應(yīng)的干預(yù)措施。該系統(tǒng)為解決個(gè)體的心理健康問(wèn)題提供了一種先進(jìn)且精準(zhǔn)的檢測(cè)和干預(yù)手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：武家輝（2001—），男，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋?/p>

王 津（1999—），女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)檫\(yùn)籌學(xué)與最優(yōu)化。

收稿日期：2023-10-17 修回日期：2024-01-04

基金項(xiàng)目：廣西民族大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202310608031）