基于腦電信號的人機交互系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、腦-機接口(BCI)是在人腦和計算機或與其它電子設(shè)備之間,建立不依賴于常規(guī)的信息輸出通道(外周神經(jīng)和肌肉組織)的對外信息交流和控制的技術(shù)。腦-機接口使用在頭皮或皮層神經(jīng)元處記錄的腦電活動,并把它轉(zhuǎn)化為控制信號,進而實現(xiàn)對外部環(huán)境的控制。通過腦-機接口,人可以直接通過腦來表達想法或操縱設(shè)備,而不需要通過語言和肢體的動作。
　　腦-機接口技術(shù)是一種涉及神經(jīng)科學(xué)、信號檢測、信號處理、模式識別等多學(xué)科的交叉技術(shù)。一個BCI系統(tǒng)是由信號采集

2、、特征提取、分類算法、命令輸出等單元組成。腦-機接口技術(shù)的研究具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。BCI技術(shù)不僅為人們提供了一種全新的對外交流的通道,其更為重要的科學(xué)意義和學(xué)術(shù)價值在于BCI的研究和開發(fā)過程將有助于人類對大腦認(rèn)知模式、信息流程和控制方式的深入理解,也為解讀大腦思維模型和意識形成機制提供嶄新的研究渠道與方法。
　　本文首先介紹了腦-機接口的基本概念和研究現(xiàn)狀,進而揭示研究BCI的目的與意義。通過分析腦電信號的特征以及

3、其對應(yīng)的生物機理,選取適合BCI系統(tǒng)所需要的腦電信號類型。通過分析和比較當(dāng)前國內(nèi)外研究BCI的方法和進展,提出本文所設(shè)計的在線的BCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,即腦電信號經(jīng)過放大、采集、處理、特征提取和分類識別后,將識別結(jié)果轉(zhuǎn)化成BCI系統(tǒng)所需的控制命令,最終實現(xiàn)通過腦電直接對外部設(shè)備的實時通信與控制。按照此思路,逐一完成腦電信號采集的電路設(shè)計、硬件平臺建立、軟件平臺分析、外部控制設(shè)備以及反饋系統(tǒng)搭建等工作。最后利用本文設(shè)計的BCI系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)兩

4、類比較典型的BCI實驗系統(tǒng)。本文主要工作如下:
　　(1)腦電信號采集電路設(shè)計:
　　由于腦電信號微弱而且容易受到外界噪聲干擾,本論文針對腦電信號的特點及其產(chǎn)生的機理,設(shè)計出高共模抑制比的腦電信號放大電路,并通過精心設(shè)計模擬濾波電路對腦電信號首先進行預(yù)處理,可以將微弱的腦電信號從復(fù)雜的噪聲背景中提取出來。同時利用采集卡將模擬的腦電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,通過USB接口傳遞給計算機,這樣就可以在計算機系統(tǒng)中對腦電信號進行分析和處理

5、。(2)BCI軟件平臺設(shè)計:
　　系統(tǒng)的軟件平臺是聯(lián)系BCI硬件系統(tǒng)各部分的紐帶,管理著BCI系統(tǒng)的硬件資源和軟件模塊。本文利用VC++6.0軟件的強大功能,借助個人計算機的硬件平臺基礎(chǔ),把腦電信號的采集、處理、識別、分類、外界設(shè)備控制與反饋等功能整合成一個軟件平臺,實現(xiàn)在線的BCI系統(tǒng)模型。該軟件系統(tǒng)同時具有波形實時顯示、存儲、回放、頻譜顯示等功能。
　　(3)兩類BCI應(yīng)用實驗系統(tǒng)的實現(xiàn):
　　按照本文設(shè)計的BCI