运动想象的eeg脑电信号系统设计(附件)【字数：10937】
摘 要运动想象表示一些仅限于想象的运动，并没有实际的行为动作。然而在进行运动想象的时候，我们的脑电信号会因为不同的想象运动发生不同的变化，通过利用这些变化，研究人员可以大致判断出他的实际意图，科研人员就是通过这种分析方法来实现用脑电信号来控制外部机器的目的。本文为研究运动想象脑电信号，深入了解脑电信号的发展，对脑电信号和脑机接口都有一定的认识，了解了脑电波产生和采集相关技术和实现方法。设计基于运动想象的脑电波采集实验台，并且设计了左右手运动想象实验，利用硬件装置收集脑电信号，再通过软件编译反映出来，最后在通过脑电信号的分析方法，辨别出了左右手运动想象。本文还设计了验证实验，通过再次实验对左右手运动想象实验的结论进行验证，加强了左右手运动想象实验的准确性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3脑机接口中研究的关键问题 3
第二章 运动想象脑电的研究基础 5
2.1脑电信号概述 5
2.1.1脑电的产生和特点 6
2.1.2 脑电信号的分类 7
2.1.3脑电信号的采集方法 9
2.2运动想象脑电信号的研究基础 10
2.2.1脑机接口的基本概念和组成 11
2.2.2脑机接口的分类 11
第三章 运动想象实验设计 13
3.1实验设备 13
3.1.1硬件设备 13
3.1.2软件程序 14
3.2实验设计 15
3.2.1受试对象及实验环境 16
3.2.2实验方案 16
第四章 实验分析 17
4.1实验数据 17
4.1.1右手运动想象脑电信号 17
4.1.2左手运动想象脑电信号 18
4.2运动想象脑电信号分析 18
4.2.1运动想象脑电信号分析的方法 18
4.3实验猜想验证 23
第五章 总结与展望 26
5.1全文总结 26
5.2进一步研究与展望 26
致 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
大脑的结构是非常复杂的，大脑的思维活动存在着许多的秘密，这也是我们人类一直以来孜孜探索的方向，但是目前为止我们对大脑的认知还是很不够充分的，大脑中存在很多的未知，还在等待着我们深层次的探索和研究。自从进入22世纪之后，世界上许多国家越来越关注和重视与大脑有关系的科学发展。在2014年一项名为“人类大脑的活动图谱”的研究计划列为美国国家项目的大科学计划。与此同时，人脑工程也被英国的研究所提高为国家的“未来新兴旗舰技术项目”之一。
人类有很多的高级运动都和大脑有关，比如兴奋，开心，运动，还有进行思维想象等等，我们正常人类的大脑在经过分析处理由外部获得的各种信息之后，就可以进行大脑和外部的信息交换，他的主要连接通路就是连接神经之间的神经元。但是在当今社会上还是有很多病人因为一些疾病而破坏了大脑与外界进行信息交流的正常的通路；虽然这些病人的大脑还是可以进行正常的大脑思想活动，但是他已经完全的丢失了自主自我的去控制肌肉的功能，从而不可以正常的与外界进行信息交流。但是伴随着社会科学的发展。出现了一种造福于人类的新技术：脑机接口（BrainComputer Interface，BCI）技术，他可以为病人创造一条全新的通路用来完成他和外部的信息去进行交流，本文研究的主要点就是脑机接口的信号分析。[1]脑机接口经过分析能够把实验者当时的脑电信号分析出来，从而发现大脑的实际意图，然后可以变化成电压或者电流信号去对外部设备进行控制。脑机接口涉及的学科比较很多，其中主要学科包含：生物科学、计算机科学、通信技术、残疾人医疗研究等等，脑机接口技术的出现和这些学科是相辅相成的，两者共同促进发展[2]
在机器人的控制领域，美国的科学研究部门在20世纪80年代消耗大量的金钱在利用思维去控制机器人的运动的领域。在中国，天津大学对于利用现有的技术来控制机器人的运动已经很成熟，浙江大学可以利用这些技术去控制飞行器的飞行运动。
另一方面，在家居的智能化，利用BCI技术去控制开的关门，窗帘的张开，还有利用脑信号去控制清洁机器人清理房间等。
不仅如此，在娱乐方面，脑机接口的技术也更多的拓展了人们的娱乐方法。比如扫雷游戏，可以通过虚拟按钮去完成，游戏的丰富程度和娱乐程度都得到了很大的提升。年轻的游戏爱好者特别喜爱脑机接口的这种应用，并且在商业的领域也有很大的潜力。
1.2国内外研究现状
在20世纪50年代末的时候，人类就已经开始了脑机接口技术的相关探索。进入21世纪之后，这方面的研究和发展也收到更多人的关注。第一届的脑机接口大会于1999年召开，在这次大会中脑机接口的概念和主要意义被明确的规定了。不久之后，在2003年和2006年的两次国际脑机接口大会也相继召开，这两次会议的举办地点都在是华盛顿的高新技术研发中心。2010年，第四届脑机接口大赛成功的举办了。[3]这四次国际脑机接口竞赛的成功举办，都比较系统和具体的对脑电信号的分析方法进行了研究。在这短短几十年的发展过程中，也有很多对这个领域做出贡献的研究机构。
在这20年当中第一次完成基于在线脑电分类的脑机接口实验室是奥地利的一所大学认知研究所的BCI实验室。通过运动想象脑电信号，这个实验室开发了许许多多的BCI系统，甚至可以利用脑电波控制鼠标的移动找一元的硬币，如图11所示。
图11 Graz大学设计的BCI系统
德国柏林的一所脑机接口研究机构也研究出了一些东西，在一开始的时候，发明了虚拟鼠标。被实验者可以通过手，脚，等等来选择不同的符号。
美国华盛顿的一所科研中心通过运动想象表现的各式各样的节律，完成了虚拟光标在多维空间的移动。
日本的一所科研中心利用分析运动的脑电信号的方法，来实现轮椅的控制和移动，实验者可以利用大脑想象前后左右的运动来实现对轮椅的控制。
清华大学的团队是国内脑机接口技术研究当中成绩最好的，运用脑电信号的特点，这个团队研究出了可以用脑电信号去控制机器狗赛球的系统，如图12所示。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3脑机接口中研究的关键问题 3
第二章 运动想象脑电的研究基础 5
2.1脑电信号概述 5
2.1.1脑电的产生和特点 6
2.1.2 脑电信号的分类 7
2.1.3脑电信号的采集方法 9
2.2运动想象脑电信号的研究基础 10
2.2.1脑机接口的基本概念和组成 11
2.2.2脑机接口的分类 11
第三章 运动想象实验设计 13
3.1实验设备 13
3.1.1硬件设备 13
3.1.2软件程序 14
3.2实验设计 15
3.2.1受试对象及实验环境 16
3.2.2实验方案 16
第四章 实验分析 17
4.1实验数据 17
4.1.1右手运动想象脑电信号 17
4.1.2左手运动想象脑电信号 18
4.2运动想象脑电信号分析 18
4.2.1运动想象脑电信号分析的方法 18
4.3实验猜想验证 23
第五章 总结与展望 26
5.1全文总结 26
5.2进一步研究与展望 26
致 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
大脑的结构是非常复杂的，大脑的思维活动存在着许多的秘密，这也是我们人类一直以来孜孜探索的方向，但是目前为止我们对大脑的认知还是很不够充分的，大脑中存在很多的未知，还在等待着我们深层次的探索和研究。自从进入22世纪之后，世界上许多国家越来越关注和重视与大脑有关系的科学发展。在2014年一项名为“人类大脑的活动图谱”的研究计划列为美国国家项目的大科学计划。与此同时，人脑工程也被英国的研究所提高为国家的“未来新兴旗舰技术项目”之一。
人类有很多的高级运动都和大脑有关，比如兴奋，开心，运动，还有进行思维想象等等，我们正常人类的大脑在经过分析处理由外部获得的各种信息之后，就可以进行大脑和外部的信息交换，他的主要连接通路就是连接神经之间的神经元。但是在当今社会上还是有很多病人因为一些疾病而破坏了大脑与外界进行信息交流的正常的通路；虽然这些病人的大脑还是可以进行正常的大脑思想活动，但是他已经完全的丢失了自主自我的去控制肌肉的功能，从而不可以正常的与外界进行信息交流。但是伴随着社会科学的发展。出现了一种造福于人类的新技术：脑机接口（BrainComputer Interface，BCI）技术，他可以为病人创造一条全新的通路用来完成他和外部的信息去进行交流，本文研究的主要点就是脑机接口的信号分析。[1]脑机接口经过分析能够把实验者当时的脑电信号分析出来，从而发现大脑的实际意图，然后可以变化成电压或者电流信号去对外部设备进行控制。脑机接口涉及的学科比较很多，其中主要学科包含：生物科学、计算机科学、通信技术、残疾人医疗研究等等，脑机接口技术的出现和这些学科是相辅相成的，两者共同促进发展[2]
在机器人的控制领域，美国的科学研究部门在20世纪80年代消耗大量的金钱在利用思维去控制机器人的运动的领域。在中国，天津大学对于利用现有的技术来控制机器人的运动已经很成熟，浙江大学可以利用这些技术去控制飞行器的飞行运动。
另一方面，在家居的智能化，利用BCI技术去控制开的关门，窗帘的张开，还有利用脑信号去控制清洁机器人清理房间等。
不仅如此，在娱乐方面，脑机接口的技术也更多的拓展了人们的娱乐方法。比如扫雷游戏，可以通过虚拟按钮去完成，游戏的丰富程度和娱乐程度都得到了很大的提升。年轻的游戏爱好者特别喜爱脑机接口的这种应用，并且在商业的领域也有很大的潜力。
1.2国内外研究现状
在20世纪50年代末的时候，人类就已经开始了脑机接口技术的相关探索。进入21世纪之后，这方面的研究和发展也收到更多人的关注。第一届的脑机接口大会于1999年召开，在这次大会中脑机接口的概念和主要意义被明确的规定了。不久之后，在2003年和2006年的两次国际脑机接口大会也相继召开，这两次会议的举办地点都在是华盛顿的高新技术研发中心。2010年，第四届脑机接口大赛成功的举办了。[3]这四次国际脑机接口竞赛的成功举办，都比较系统和具体的对脑电信号的分析方法进行了研究。在这短短几十年的发展过程中，也有很多对这个领域做出贡献的研究机构。
在这20年当中第一次完成基于在线脑电分类的脑机接口实验室是奥地利的一所大学认知研究所的BCI实验室。通过运动想象脑电信号，这个实验室开发了许许多多的BCI系统，甚至可以利用脑电波控制鼠标的移动找一元的硬币，如图11所示。
图11 Graz大学设计的BCI系统
德国柏林的一所脑机接口研究机构也研究出了一些东西，在一开始的时候，发明了虚拟鼠标。被实验者可以通过手，脚，等等来选择不同的符号。
美国华盛顿的一所科研中心通过运动想象表现的各式各样的节律，完成了虚拟光标在多维空间的移动。
日本的一所科研中心利用分析运动的脑电信号的方法，来实现轮椅的控制和移动，实验者可以利用大脑想象前后左右的运动来实现对轮椅的控制。
清华大学的团队是国内脑机接口技术研究当中成绩最好的，运用脑电信号的特点，这个团队研究出了可以用脑电信号去控制机器狗赛球的系统，如图12所示。
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