基于DSP的脑机接口技术及其应用

摘要

近年来，全球范围内的脑机接口研究进入热潮，其中正在对脑机接口进行研究的课题组已经超过数百个，各课题组无论在大脑信号选择、信号采集及处理方法还是实验设计等方面都有其特点。脑机接口系统通过检测大脑活动的特征并将其转化为设备控制信号，从而在不需要语言或者动作的参与下实现使用者的控制意图。目前大部分脑机接口系统具有实用性不强、自动化程度较低、个体差异性较大、通信速度较慢等不足。本论文以此为出发点，为加强脑机接口系统的便携性、实用性进行探索。
　　首先，本论文介绍脑电信号基本知识及分类、脑机接口系统的基本构成，分析脑机接口系统的特征及其发展趋势，并设计基于TMS320VC5509A的DSP嵌入式芯片脑机接口系统。系统可分成三大模块:脑电信号放大模块、DSP信号采集及处理模块、基于AT89S52单片机的控制模块（鼠标光标移动/虚拟键盘字符输入）。
　　然后，针对基于DSP嵌入式芯片的脑机接口系统进行在线实验，通过检测受试者放松注意力和集中注意力两种状态下前额脑电信号，在线控制台灯的亮灭、鼠标光标的移动，并在此基础上将整个系统应用于虚拟键盘的字符输入。实验结果表明，其中在线控制台灯亮灭时受试者在线控制平均准确率达97.8％，平均响应时间为1.91秒;受试者在线控制鼠标光标移动平均准确率达85.6％，平均响应时间为23.44秒。
　　最后，对在线测试实验数据进行离线分析，通过对前额脑电信号数据时域、频域比较，提取脑电信号时域方差值、频域功率谱估计值等特征值，并使用Fisher线性判别分析对其进行分类。分类结果显示使用者前额脑电信号在放松注意力和集中注意力两种状态下差异性较大，并且在此基础上分析了采集数据长度即采集时间对分类结果的影响规律。分析结果可指导整个脑机接口系统的进一步优化，为下一步改进提供基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及选题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文研究内容及意义

1．4 论文组织结构

第二章 脑机接口系统概述

2．1 脑电信号概述

2．2 脑电信号的分类

2．2．1 自发脑电

2．2．2 诱发脑电

2．3 脑机接口系统构成

2．3．1 信号采集

2．3．2 信号处理

2．3．3 输出设备

2．3．4 操作协议

2．4 本章小结

第三章 基于DSP的脑机接口系统设计方案

3．1 脑机接口系统的整体方案介绍

3．2 脑电信号放大模块设计

3．2．1 分级放大电路

3．2．2 滤波电路

3．2．3 电平转换电路

3．3 信号采集及处理模块设计

3．3．1 TMS320VC5509A的硬件结构

3．3．2 DSP集成开发环境CCS介绍

3．3．3 信号采集及处理模块硬件设计

3．3．4 信号采集及处理模块软件设计

3．4 基于AT89S52单片机的控制模块设计

3．4．1 控制模块硬件结构

3．4．2 控制模块软件设计

3．5 本章小结

第四章 脑机接口系统的在线实现

4．1 脑电信号在线控制台灯亮灭

4．1．1 实验原理

4．1．2 在线控制台灯亮灭实验

4．2 脑电在线控制鼠标光标移动

4．2．1 实验原理

4．2．2 在线控制鼠标光标移动实验

4．3 脑电在线控制虚拟键盘字符输入设计

4．3．1 功能原理

4．3．2 功能介绍及性能估算

4．4 本章小结

第五章 数据分析

5．1 离线数据时频分析

5．2 Fisher线性判别分析

5．2．1 分类结果

5．2．2 结果分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本论文工作总结

6．2 下一步工作展望

致谢

参考文献

作者简介