寬頻腦電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其初步應(yīng)用.pdf

1、腦電采集系統(tǒng)是一種對人體無創(chuàng)的電生理信號(hào)記錄裝置，該裝置易于操作、實(shí)驗(yàn)成本相對較低，其記錄到的頭表腦電信號(hào)（Electroencephalogram，EEG）是大腦神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的一種同步信息，因此腦電采集系統(tǒng)是科研工作者研究人類大腦功能最常用的工具之一。
　　由于在EEG信號(hào)采集過程中，直流偏移電壓對腦電采集系統(tǒng)的影響，以及人們對大腦認(rèn)識(shí)的限制，致使當(dāng)前市場上多數(shù)腦電采集系統(tǒng)帶寬較窄，無法獲取新發(fā)現(xiàn)的一些有生理意義的低頻或高頻信

2、號(hào)。本文采用動(dòng)態(tài)直流校正等技術(shù)，解決了當(dāng)前腦電放大器存在的帶寬有限問題。此外，本文也開發(fā)了具有兼容性和開放性的軟件系統(tǒng)，并將腦電放大器和軟件系統(tǒng)結(jié)合起來，應(yīng)用到不同的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。本文具體的研究內(nèi)容為：
　?。?）根據(jù)腦電信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)32通道的寬頻腦電放大器。該放大器能夠以5000Hz的采樣率精確采集DC~1000Hz之間的腦電信號(hào)。我們在設(shè)計(jì)過程中采用動(dòng)態(tài)直流校正技術(shù)，實(shí)時(shí)去除信號(hào)采集過程中引入的直流偏移電壓，能夠

3、采集到傳統(tǒng)腦電放大器丟失的低頻信號(hào)；同時(shí)通過提高采樣率，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸速率，拓展了放大器的高頻帶寬。放大器調(diào)試成功之后，我們按照國家相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，對腦電放大器性能進(jìn)行測試。并根據(jù)測試結(jié)果，討論分析電路中存在的問題，優(yōu)化放大器設(shè)計(jì)，最終獲得高性能寬頻腦電放大器。利用微軟基礎(chǔ)類庫MFC作為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)開發(fā)一套軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)與腦電放大器結(jié)合起來形成一套完整的腦電采集系統(tǒng)。
　?。?）為了能夠?qū)⒆灾髟O(shè)計(jì)開發(fā)的寬頻腦電放大器與功能磁共

4、振（functionalMagneticResonanceImaging，fMRI）結(jié)合起來，獲得高時(shí)-空分辨率的大腦活動(dòng)信息。本文分別測試三種典型的腦電電極和三種典型的電極膏及其組合對MRI圖像的影響，分析電極材料對MRI圖像產(chǎn)生影響的內(nèi)在原因，并找出適合同步數(shù)據(jù)采集的電極和電極膏。接著將挑選出的電極和電極膏分別放置在實(shí)驗(yàn)水膜和大鼠頭部上，在磁共振設(shè)備中測試是否存在安全性問題。隨后將符合要求的電極、電極膏與腦電放大器結(jié)合，在磁共振設(shè)備

5、中采集腦電數(shù)據(jù)。
　?。?）為了解決真實(shí)腦-機(jī)接口（BrainComputerInterface,BCI）應(yīng)用中，樣本數(shù)量較小時(shí)，可能引起的在線測試結(jié)果變差問題。我們對Z-LDA（Z-scoreLinearDiscriminantAnalysis）算法進(jìn)行改進(jìn)，然后分別利用仿真數(shù)據(jù)和自主設(shè)計(jì)的腦電采集系統(tǒng)采集的真實(shí)腦電數(shù)據(jù)，驗(yàn)證改進(jìn)的Z-LDA（EnhancedZ-LDA,EZ-LDA）方法訓(xùn)練小樣本的效果。
　?。?）利用

6、腦電放大器直接獲取眨眼眼電信號(hào)，同時(shí)以（1）中的軟件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加數(shù)字形態(tài)學(xué)濾波算法、動(dòng)態(tài)閾值檢測算法和歸一化算法，識(shí)別主動(dòng)眨眼信號(hào)，并利用眨眼信號(hào)在圖形界面中實(shí)現(xiàn)字符的輸入。
　　（5）利用腦電放大器直接獲取肌電信號(hào)，同時(shí)以（1）中的軟件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，加入特征提取、模式識(shí)別等技術(shù)，識(shí)別肌電信號(hào)的特征，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制。
　?。?）分析直接獲取拉普拉斯信號(hào)中存在的問題，以及間接獲取拉普拉斯信號(hào)的缺點(diǎn)，探討通過硬件電路直接獲