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脑电等多模态生理参数采集智能眼镜概述

GAPses 是一款创新的智能眼镜平台，旨在实现无创、舒适、安全的脑电图（EEG）和眼电图（EOG）信号的采集与处理。其全称为 “GAP Smart GlassES”，采用轻量化设计（仅40克），外形与传统眼镜相近，便于日常佩戴。该平台集成了定制干电极与GAP9超低功耗RISC-V处理器，实现了边缘计算，避免了持续无线数据传输带来的隐私与能耗问题。GAP9处理器具备强大的并行处理能力（15.6 GOPS），适用于实时信号处理与机器学习推断，是实现高效、低功耗生物信号处理的关键。

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系统核心设计

GAPses 的系统架构包括以下几个核心部分：

眼镜框架：采用3D打印的半刚性树脂材料，分为前框和两个镜腿，内部嵌入电极接口PCB。

电极接口PCB：采用柔性-刚性结合设计，集成缓冲电路（AD8603）以提升信号质量与抗干扰能力。

通道选择接口PCB：支持两种配置：纯EEG模式（8通道）与EEG+EOG混合模式（8 EEG + 3 EOG）。

BioGAP处理平台：集成ADS1298模拟前端、GAP9处理器、内存、IMU和PMIC，支持高精度生物信号采集与实时处理。

图1 GAPses系统整体结构与组件

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电极设计关键

GAPses 使用Datwyler 公司定制的 SoftPulse 干电极，无需导电凝胶或皮肤准备，适合长时间佩戴：

EOG电极（图1B)：位于鼻托和鼻梁处，采用扁平设计以最大化接触面积。

EEG电极（图1B）：位于镜腿和耳后，采用带“腿”的刷状设计，便于穿透毛发与皮肤接触。

所有电极均通过压力配合的PTH（镀铜孔） 与PCB连接，无需传统插扣，节省空间且便于更换。

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临床验证与应用性能

信号质量验证：受试者佩戴眼镜执行多种眼动任务（上下、左右、斜向、眨眼等），通过鼻部的三个定制干电极采集信号，并计算水平与垂直EOG分量。

分类应用实现：基于验证过的高质量信号，构建一个包含11类眼动的数据集，并训练一个适用于嵌入式设备的深度学习模型（改进的EpIDENer）。最终，将该模型部署在集成的GAP9处理器上，评估其分类性能、信息传输速率和能耗。

信号质量：如图2所示，系统成功采集到特征鲜明、易于区分的EOG信号。垂直眼动在垂直分量上产生大幅偏移，水平眼动则主导水平分量的变化，眨眼则呈现出典型的尖峰脉冲，充分证明了电极配置和硬件设计的有效性。

图2 EOG信号与眼动对应关系

分类准确率：在模型部署后，系统对11类眼动的分类达到了96.78%的平均准确率（图3）。

图3 EOG分类准确率与ITR曲线

交互速度（图3）：通过权衡准确率与响应时间，系统在仅使用0.8秒数据且准确率为81.43% 时，实现了 161.43 bit/min 的峰值信息传输率，表现出极快的交互潜力。

能耗效率：整个分类任务在GAP9处理器上完成，单次推断的能耗极低，仅为 24 µJ，系统平均功耗低至 16.28 mW。

信号质量与范式验证：

Alpha波：通过“睁眼-闭眼”范式，观察枕叶区Alpha节律的典型变化。

SSVEP：让受试者响应不同频率的视觉刺激，使用NCCA方法检测稳态视觉诱发电位。

运动想象：记录受试者在执行左/右手手指敲击时的脑电信号，并尝试进行分类。

智能应用实现：在确认EEG信号质量后，进行了一项EEG生物识别（BrainMetrics） 应用研究。收集6名受试者多天的脑电数据，为每人训练一个二分类模型，用于判断当前使用者是否为“设备所有者”。

信号质量与范式响应：

Alpha波：如图4所示，闭眼期间Alpha频段（8-13 Hz）能量出现显著且持续的增强，符合生理预期。

图4 Alpha波实验频谱图

SSVEP：如图5所示，系统在所有目标频率上均能诱发出清晰的响应，仅需3秒数据即可被可靠识别。

图5 SSVEP响应分析显示不同频率刺激下的NCCA与CCA响应曲线，验证SSVEP检测能力

运动想象：尽管电极未直接覆盖运动皮层，系统仍能实现左/右/休息状态的分类，平均准确率显著高于随机水平。

生物识别性能：在8个EEG通道的支持下，BrainMetrics应用实现了极高的识别精度，灵敏度达98.87%，特异性达99.86%，这意味着几乎不会误识主人，也极少会错误放行他人。

能耗效率：完成一次高精度的身份验证，在GAP9上仅消耗 121 µJ 的能量。

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总结

GAPses 智能眼镜通过多通道干电极采集、边缘处理、低功耗设计，成功实现了高质量EEG与EOG信号的采集与实时分析。其在眼动识别与脑电生物识别等任务中表现出色，兼具高精度、高能效与用户友好性，为可穿戴生物信号设备设定了新的技术标准。未来可进一步拓展其在无约束环境下的应用场景。

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回映产品

产品1：单通道肌电/心电/呼吸采集设备

单通道肌电/心电/呼吸采集设备创新性地采用type-C转脑电电极以简单轻便的方式实现了单通道肌电/心电/呼吸采集，且基于结构与硬件的特殊设计，支持高原环境下进行采集。另外产品总体结构采用魔术贴设计，方便于全身佩戴。

适用领域:单通道生理参数采集

单通道肌电/心电/呼吸采集设备

产品2.基于干电极的32通道脑电采集仪

高质量脑电信号采集对于精准识别和分析非癫痫样异常（如弥漫性慢波、局灶性δ活动）至关重要。为此可以了解我们研发的一款32通道可穿戴脑电采集仪，采用高精度干电极采集脑电信号，无需导电膏即可快速佩戴，极大提升了受试者的舒适度和操作效率，特别适合长时间或动态环境下的数据采集。该设备不仅能通过全覆盖设计捕捉全脑电活动细节，还采用了type-C智能转接技术和抗干扰硬件架构，有效减少了运动噪声和电磁干扰对信号的影响，在高原或移动场景中也能稳定输出低噪声波形。

适用范围：多通道生理参数采集

32通道脑电采集仪

产品3：便携式TI时域干涉经颅电刺激仪

便携式TI时域干涉经颅电刺激仪通过紧密接触于头皮的电极传导两路不同频率的高频脉冲电流(如：2000Hz和2010Hz),高频电流流经大脑表层和深部区域，并在脑深部干涉产生低频包络(如：10Hz),由于大脑神经元对高频(>1000Hz)电刺激不响应，所以位于大脑表层的高频电流并没有对大脑产生刺激效应位于脑深部的低频包络刺激大脑，实现无创地刺激大脑深部而不影响大脑皮层，即无创脑深部电刺激。

回映便携式时域干涉电刺激设备支持传统的tTIS时域干涉电刺激模式（基于正弦波），PWM-TI时域干涉电刺激模式（基于50%占空比方波），burst-TI时域干涉电刺激模式,细分为tTI-iTBS，tTI-cTBS两种模式（基于iTBS，cTBS).

适用范围：

能够应用于对老年痴呆、癫痫、帕金森、抑郁症等多种神经系统疾病治疗和神经科学研究的多个领域。

产品4：便携无创脑脊接口设备（可ODM定制开发）

回映这款非侵入性脑脊接口整机设备是一个高度集成的闭环神经调控系统，其核心工作流程始于一个配备32个电极的便携式脑电帽，用于无创采集用户大脑感觉运动皮层的神经信号。这些信号被实时传输至内置的信号处理与计算单元，该单元运行着先进的机器学习算法（线性判别分析，LDA），能够从特定的脑电节律（μ波和β波）中持续解码出下肢的运动意图，并将其量化为一个实时的“运动概率”。一旦该概率值超过预设阈值，计算单元会即刻向经皮脊髓电刺激器发出触发指令。刺激器则通过精准贴附于使用者背部T10脊髓节段和腹部的电极，输送出与运动意图同步的、特定参数（如30Hz，10-15mA）的电刺激，以激活脊髓神经网络，辅助运动完成。整个系统通过统一的硬件同步机制，确保了从“意念识别”到“脊髓刺激”整个环路的时间精度，最终形成一个由“大脑意图驱动、脊髓刺激辅助”的一体化康复设备，旨在通过这种精准的闭环干预促进脊髓损伤患者的神经功能重塑与运动功能恢复。

便携无创脑脊接口设备示意图