基于视觉诱发电位的实时脑机接口系统研究与实现

论文摘要

脑机接口（Brain-Computer Interface,BCI）是基于脑电信号实现人脑与计算机或其他电子设备通讯和控制的系统,它不依赖于脑的正常输出通路（外周神经系统及肌肉组织）,是一种全新的通讯和控制方式。基于BCI的设备一个重要用途是为思维正常但有运动障碍的人提供与外部环境进行交流和控制的途径。脑机接口研究在康复医学工程等领域具有重要意义。脑机接口的研究方法较多,可用于脑机接口的脑电信号包括视觉诱发电位、事件相关同步或去同步、皮质慢电位、自发脑电信号等。视觉诱发电位是指神经系统接受视觉刺激（如图像或闪光刺激）所产生的特定电活动,信号稳定性相对较好,诱发电位与刺激有比较固定的时间间隔,比较容易检测。本文研究的BCI系统是基于视觉诱发电位的脑机接口系统。本文研究和实现了基于视觉诱发电位的实时脑机接口系统,研究内容包括:视觉刺激器的设计与实现、刺激器与采集程序的实时数据传输、脑电信号的提取与识别、整个实时系统的集成和基于本系统的脑机接口实验等。实现了刺激器:选择易于产生诱发电位的颜色、频率、时长等重要参数,加入实时处理需要的信号处理、结果反馈以及系统同步控制等模块。并且进行了大量实验。刺激程序与采集程序的实时数据传输是本系统的关键之一,也是难点之一。本文提出一种用动态链接库（DLL）来实现基于文件映射的共享内存技术,很好的解决了两者之间的数据传输,实验表明该方法达到了预期要求。本文分别研究和实现了瞬态和稳态两种模式下脑电信号的提取和识别,方法分别是累加平均与相关系数法和FFT。为实现系统的集成,解决不同环境程序（VC,dll,LabVIEW）之间的通信和同步控制问题,本文运用实时数据传输技术以及LabVIEW全局变量技术,较好地解决了该问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 脑机接口技术介绍
• 1.1.1 脑机接口基本概念
• 1.1.2 脑机接口研究方法
• 1.1.3 脑机接口技术国内外现状
• 1.2 本文的研究目的和研究内容
• 1.2.1 研究目的
• 1.2.2 研究内容
• 2 实时系统的视觉刺激器研究与设计
• 2.1 视觉诱发电位的分类
• 2.1.1 按刺激光形态分类
• 2.1.2 按视觉刺激频率分类
• 2.1.3 按刺激视野分类
• 2.2 实时系统视觉刺激器研究
• 2.2.1 刺激器设计要求
• 2.2.2 刺激器面临的难点与解决方法
• 2.3 实时处理下的刺激器设计
• 2.3.1 刺激图形与刺激模式选择与设计
• 2.3.2 稳态和瞬态两种模式设计
• 2.3.3 系统同步控制设计
• 2.3.4 信号处理和反馈功能设计
• 2.4 本章小结
• 3 实时数据传输技术研究
• 3.1 进程间通信方法研究
• 3.1.1 动态数据交换（DDE）
• 3.1.2 DataSocket 技术
• 3.1.3 共享内存技术
• 3.2 共享内存技术在脑机接口系统的应用
• 3.2.1 共享内存的创建
• 3.2.2 输入输出函数的设计
• 3.2.3 DLL 与主进程的通信
• 3.3 本章小结
• 4 脑电信号的实时处理与结果反馈
• 4.1 瞬态模式
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 脑电信号的提取
• 4.1.3 平滑滤波
• 4.1.4 脑电信号的识别
• 4.1.5 瞬态实时处理流程图
• 4.2 稳态模式
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 快速傅立叶变换（FFT）
• 4.2.3 FFT 在脑电信号处理中的运用
• 4.2.4 稳态实时处理流程图
• 4.3 处理结果反馈设计
• 4.3.1 测试阶段的反馈方式设计
• 4.3.2 实验运行阶段的的反馈方式设计
• 4.4 本章小结
• 5 系统集成
• 5.1 采集程序中的数据输出
• 5.1.1 采集程序介绍
• 5.1.2 数据输出程序设计（LabVIEW）
• 5.2 VC 与 LabVIEW 程序的同步控制
• 6 实时脑机接口系统实验
• 6.1 实验方法
• 6.1.1 脑机接口通信速率
• 6.1.2 脑机接口实验方法
• 6.2 实验结果与分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 不足之处与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录