（生物医学工程专业论文）脑电虚拟实验室的软件设计.pdf

童苎垄兰壁主堂堡垒查 垒堡! ! 堡垒兰! d e s i g n o ns o f t w a r eo ft h ev i r t u a ll a b o r a t o r y b a s e d0 1 1e e g a b s t r a c t t oa s s i s ti ne x p e r i m e n t i n go ne l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h i c ( e e o ) ，w eb r i a gt h et a s k c a l l e dv i r t u a ll a b o r a t o r yb a s e do ne e g b e c a u s eo ft h ed e v i c ef o re x p e r i m e n t i n go n e e gi s v e r ye x p e n s i v e ，a n da l s oh a r dt o m o v e a tt h es r n l et i m ew en e e db e t t e r e n v i r o n m e n tt og e tb e t t e rs i g n a ld a t a ，s ot h e r ea r eo n l yaf e wl a b o r a t o r i e sh a v et h e c o n d i t i o nt od ot h ee x p e r i m e n to ne e g w ec o m b i n et h et e c h n o l o g yo fn e t w o r k sa n de e ge x p e r i m e n tt o g e t h e r ，a n dw e s e n dt h ee e g s i g n a ld a t ar e a lt i m eb yn e t w o r kt ot h er e s e a r c h e r sw h o a r ei no t h e r l a b o r a t o r i e s s ot h e yc a ng e te e gd a t ae a s i l y ，a n dw a t c ht h ew a v eg r a p ha tt h es a m e t i m e ，a l s ot h e yc a nc o m m u n i c a t ea n dd i s c u s sb yn e tm e e t i n g s od i f f e r e n tl a b o r a t o r i e s c a l lc o o p e r a t ew i t he a c ho t h e rt os h a r er e s o u r c em a dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e s i g no fv i r t u a ll a b o r a t o r yb a s e do n b c l ，w eu s ev i s u a lc + + 6 0t od e v e l o pt h i ss o f t w a r e ，i t sf u n c t i o ni n c l u d e sn e tm e e t i n g ， c o l l e c t i n g a n d d i s p l a y i n g e e gs i g n a l d a t a ，t r a n s f e r r i n g e e gs i g n a l d a t a ，a n d t r a n s f e r r i n g f i l e se t c w eu s em f ct 0b u i l dt h em a i nf r a m e ，u s et c p i pp r o t o c o l ， c l i e n t s e r v e rm o d e la n ds o c k e tt od e s i g nn e t w o r k i nt h ef i r s tc h a p t e r ，w ew i l li n t r o d u c et h ec o n c e p t ，d e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o na n d t h es i g n i f i c a n c eo ft h i sv i r t u a ll a b o r a t o r y i nt h es e c o n dc h a p t e r ，s o m ec o n c e p t so f e e ga n dt h ec o l l e c t i o no fe e gs i g n a lw i l lb ei n t r o d u c e d t h et h i r da n dt h ef o u r t h c h a p t e r sm a i n l yd i s c u s ss o m eb a s i ck n o w l e d g e o ft c p i pp r o t o c o l ，w i n d o w ss o c k e t s a p ia n dv i s u a lc + 十6 0 t h ef i f t hc h a p t e rw i l li n t r o d u c eh o wt od e s i g nt h ew h o l e v i r t u a ll a b o r a t o r yi nd e t a i l t h el a s tt w oc h a p t e r sw i l lg i v es o m ep i c t u r e so ft h ev i r t u a l l a b o r a t o r ya n d t a l ka b o u ts o l v es h o r t a g ea n d g a i na b o u t t h i sd e s i g n 1w i s h y o u c o u l dg e ts o m e h e l pf r o mm yp a p e r k e y w o r d s ：v i r t u a ll a b o r a t o r y , e e gb c i ，m f c ，s o c k e t i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 本人签名：岬寸稽 日 期： 加。聃j 闷l f 日 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近1 0 年里，t n t e r n e t 在全球得到了迅猛的发展，取得了巨大的成功，已成为当 今世界上覆盖面最大、规模最大、信息资源最丰富的计算机信息网络。作为信息 高速公路的原型，i n t e m e t 极大地推动了世界科学研究的发展，展示了信愚网络对 科研发展的巨大推动作用。在现代信息社会里，科研项目日渐复杂、规模日益扩 大，许多项目需要跨学科大规模的合作才能得到有效的解决；现代科研话动耗资 巨大，实验设备呈大型化趋势，造价昂贵，因此也迫切需要共享实验设备以降低 科研成本；信息网络的全球化和通信、计算机技术的新成就，极大地增强了科研 人员交互、协作和资源共享的能力，为不同领域的科研人员提供了更有效的手段， 能更好地面对信息激增所带来的挑战。在此背景下，“虚拟实验室”概念应运而 生，为人们展示出信息社会科研环境和方式的发展趋势。 虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 概念，亦称为“合作实验室”( c o u a b o r a t o r y ) ， 最早在1 9 8 9 年由美国u n i v e r s i t y o f v i r g i n i a 的w i l l i a m w u l f 教授提出，用来描述个 计算机网络化的虚拟实验室环境。它致力于构筑个综合不同工具和技术的电子 化、网络化的科学研究集成环境。在这个环境里，科学家们可以非常有效地利用 地理上分布的各种资源( 数据、信息、设备、人力) 来从事科研活动2 1 。 w u l f 形象地把虚拟实验室称为“无墙的研究中心” 2 】。在其问，科研人员不 管其地理位置分布如何，都能共同从事研究与同事们相互交流，使用仪器， 共享数据和资源，在数字式图书馆中存取信息，共同撰写研究报告等。所有这些 活动不必面对面进行，而是在分布式网络环境支持下，通过电子邮件系统、多媒 体会议系统等手段来实现。因此，虚拟实验室实质上是个分布式计算机系统。 在系统中，配置具有遥控遥测能力的网络化研究设备和数据采集平台有支持协 作活动的各种工具，建有可以支持大规模数据共享的数字式图书馆。虚拟实验室 的所有技术支持都旨在增强科学家、仪器设备和数据等资源之间的交互交融，以 提高科研效率，降低科研成本，为发展高新科学技术提供强有力的技术保障，最 终促进人类社会的进步。 东北大学硕士学位论文第一辛绪论 作为当今世界科技最发达的国家，美国为了继续保持其科技主导地位，已将 “虚拟实验室”计划列入其科研发展的战略规划。早在1 9 9 1 年底，美国科学基金 会、美国国家研究顾委会下属的计算机与远程通讯部组成了一个“全国( 科学) 合 作实验室委员会”，负责调查科学家对信息技术的需求和开发支持科研合作的信 息技术。此后，美国政府投入巨大财力在海洋学、天体物理学和分子生物学三大 领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了 实质性进展。美国一些政府部门，如能源部，正在制定计划将其所属科研机构过 渡到合作实验室环境中1 3 】。目前，美国“虚拟( 合作) 实验室”及其相关研究的前 期工作己引发出一系列理论和技术问题，越来越多的科学家正投身其中为构筑一 个全国性的虚拟实验室系统而开展工作。 1 2虚拟实验室应用范例 海洋学、天体物理学、分子生物学和核科学等领域是美国政府率先建立虚拟 实验室的科学研究领域。通过以下实例，可以大致了解虚拟实验室的基本功能和 组成要素。 1 2 1 海洋学虚拟实验室 海洋学研究具有分布广、数据采集难度大、理论模型与实验之间的关联性强 等特点，所以在该领域进行虚拟实验室的研究很有必要。虚拟实验室基于 s c i e n c e n e t 网络提供了良好的电子通讯功能，以加强不同领域科学家之间的交流， 促进这个跨学科研究的发展。名为s e a n e t 的计划正试图把i n t e m e t 网扩展至海洋环 境中的科学考察船和其它远程平台上。可视化技术、并行处理技术和三维建模技 术的应用，加强了海陆人员的实时交互作用。海洋学数据极富研究价值，因此实验 窒提供有多种访问海洋数据的工具，如；t o g a d a t a c a t a l o g ，g l o b e d a t a c a t a l o g ， t o u rt o o l 平d c r u i s e p l a n n i n gt o o l 。这些工具都是数据库技术和网络技术的融合， 增强了科研人员共享资源和数据的能力。 1 2 2 天体物理学虚拟实验室 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在天体物理学领域，有多项虚拟实验室计划正在实施【“。天体物理学研究需要 不断从太空观察站和地面观察站采集大量数据，并且需要对多种不同类型的数据 进行比较分析，才能得出对某一现象的理论解释。因此，需要更强的网络技术来 支持不同格式数据的传输，数据格式的标准化工作也正在进行。 在超缴计算机上，运行的模拟软件是天体物理学研究的重要工具。数据源到 远程计算机之间可靠的数据传输以及数据的图形化表示和操纵方式是计算机技术 应用于该领域研究的中心。在功能完善的天体物理学虚拟实验室里，科研人员能 得到以下功能支持： 能从巨大的数据库中检索到所需资料。 能透明传输不同格式的数据。 能通过本地或远程的标准工具来显示和操纵多种数据集合。 能快速产生具有处理新数据功能的增值分析和显示工具。 1 2 3 分子生物学虚拟实验室 在该领域虚拟实验室建设中，计算机与通讯技术主要集中在网络化数据库的 建立、维护、检索和分析上。现有的一些生物学数据库系统为基因研究提供了丰 富的基因信息，女1 m e d l i n e g e n b a n k 和g e n o m ed a t a b a s e ”。科学家可在远程的计算 机上运行分析服务器b l a s t ，完成透明的数据分析。大型档案信息库e n 仃e z 采用标 准格式建立不同数据库之间的互连，以实现数据库相关信息的逻辑连接。一个称 为w o r mc o m m u n i t ys y s t e m 的信息系统正在建立之中，它提供电子图书馆服务和强 大的数据库服务。 1 2 4 核科学领域虚拟实验室 该领域虚拟实验室的特点表现在对大型核装置的共享和远程控制上。1 9 9 5 年 3 月，麻省理工学院的研究人员进行了有关c m o dt o k a m a k 的远程实验。在远程和 本地都建有c - m o d 控制室，远程科研人员控制实验所要求的物理参数，由本地科 研人员完成设备的运行控制。两个控制室装有统一的软件，可以共享实验数据。 通过e s n e t 提供的视频链路，可以协调两地控制室的活动。该实验的目的是演示远 一3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 程实验的灵活性，并研究有关分和式控制室通讯交互的一些问题【4 。从上述实例不 难看出，虚拟实验室支持的基本功能有1 6 l ： ( 1 ) 数据共享，即在不同地点研究同一项目的科学家能迅速、方便地查找所需 要的数据库资源； ( 2 ) 软件共享，即在不同地点的科学家能方便地分享支持数据分析、图表显示、 模型构造的软件工具： ( 3 ) 远程仪器控制，即各地的科学家都能控制、操作那些位于远程或人类难以 到达的地方( 如海底、太空) 的仪器设备； ( 4 ) 远程学术交流，即地理上分布的科学家能进行跨越时空的实时交流。虚拟 实验室提供的支持科研活动的工具主要有：视频会议及远程顾问工具，访 问及提取信息工具，开发合作及数据共享工具，远程观察用的可视化软件， 网络下的设备控制软件等。这些示范工程虽然已具有了虚拟实验室的雏形， 但构筑一个功能完备、服务齐全的国家虚拟实验室仍有待时日，虚拟实验 室的研究依然任重而道远。 1 3 脑电虚拟实验室的课题提出 在生物医学工程领域，目前我们建立完善的脑计算机接口，所谓的脑一计算 机接口( b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，b c i ) 是在人脑与计算机或其它电子设各之间建 立的直接交流和控制通道，通过它，大脑能够与外界进行信息交换与控制，从而 人就可以直接通过大脑来表达想法或操纵设备，而不需要语言或动作口】。 可以通过脑电图仪采集脑电信号，通过b c i 送到计算机中进行识别处理，根据 识别结果由计算机来控制外围设备。还可以把脑电图仪采集的脑电信号在计算机 上毗波形的形式实时的显示出来，并对其加以分析，这时需要实验者连接脑电采 集设备。由于脑电设备造价昂贵，设备不易随意搬动，此外脑电信号太容易受环 境、情绪等因素的影响。在受试者在有压力的情况下，比如要求它在多人面前“表 演”，可能由于紧张而降低系统效率 。因此我们提出脑电虚拟实验室的概念，让 受试者进行脑电测试，通过与脑电设备相连的计算机把受试者的脑电信号通过网 络实时的传输到远端的计算机中，让远端的计算机对采集的脑电信号进行处理， 并且使脑电波形在远端的计算机中动态的显示，这样就可以使不同实验室的研究 者在同一时间对受试者的脑电数据进行观察和分析，从而达到资源共享的目的， 并且使受试者不受外界的干扰避免实验效率的降低。 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 本人在这次设计中所作的主要工作是为脑电虚拟实验开发可靠的软件平台和 网络平台，实现脑电虚拟实验室的基本功能。首先针对目前的硬件设备b c in e u i 型脑计算机接口系统的特点，通过串口进行数据的采集和处理，进行实时的发送， 保证接收端能够实时而准确的接收到数据，编写了可以方便而可靠的收发数据的 网络包，并动态的绘制脑电波形图，使用户随时看到脑电波形的变化，同时提供 了脑电数据的传输与同步显示、文件发送、网络会议、命令控制等功能，为用户 提供友好而方便的操作界面。 东北大学硕士学位论文 第二章脑电信号的分析与采集 第二章脑电信号的分析与采集 近些年来，人们对大脑的研究有了深入的认识，特别是对大脑生理电信号 方面的研究更加关注。脑电波在临床上已应用于一些疾病的诊断中。自1 9 2 4 年 德国精神病学家h b e r g e r 首先从头皮描记了人脑完整的生物电活动以来，已有 七十多年的历史1 7 】。脑电研究除应用于临床医学外，还被应用于生物医学工程、 航天医学、国防医学等领域。随着科学技术的不断进展，计算机断层扫描( c t ) 、 磁共振成像( m r i ) 等现代化影像检测技术广泛应用于临床，但由于它们与脑 神经电信号检测各有优缺点，所以脑电检测的内容到目前为止一直在发展，且 越来越受到重视。本章将介绍自发脑电位和诱发脑电位的些基本内容，以及 应用b c i 系统对脑电数据的采集方法。 2 1 脑电信号及其生理基础 人类中枢神经系统包括脑和脊髓两部分，脑包括大脑两半球、小脑和脑干 三部分。大脑半球又分额、颞、顶、枕四叶，如图2 1 所示。脑干又分中脑、 桥脑、延脑三部分1 8 】。 图2 1 大脑分n 1 示意图 脑各部均由神经元组成。神经元包括神经细胞和神经纤维两部分，是神经 系统的基本结构或机能单位。神经细胞间的相互联系由轴突和树突完成。轴突 为主要传出纤维，而树突又分为短树突及顶树突，前者联系各神经细胞间，而 东北大学硕士学位论文第二章脑电信号的分析与采集 顶树突! j l | j 源于大脑皮层j 三、五层的锥体细胞，顶树突伸向皮质表面，在脑电波 形成中起主导作用 8 1 。 脑电信号是大脑半球的生物电活动，是大脑皮层锥体细胞及其顶树突突触后电 位同步综合波，并由丘脑中线部位非特异性核团( 包括中央内侧核、中线核等) 起调节作用，而丘脑、脑干网状结构与大脑皮层各部件的兴奋或抑制刺激和反馈 作用，决定着大脑的节律性同步活动 9 。 脑电活动来源于大脑皮层神经元，与血管和结绨组织无关，但与年龄、感觉 性刺激和机体生理化学有关。 2 2 脑电波的基本组成 脑电波是一个复杂的综合波，它包括一些不同的频率分量。脑电波的形状 是因人而异的，而且各个不同的频率分量在不同的时候有着不同的表现。 人类脑电波的频率在o 5 3 0 h z 之间，它们主要有8 l ： 占频带o 5 3 h z 0 频带4 7 h z 口频带8 1 3 h z s 频带1 4 1 7 h z 口频带1 8 3 0 h z ，频带3 0 h z 以上 波幅分为高、中、低三级： 低波幅小于2 5 “v 中波幅 2 5 5 0 a tv 高波幅大于5 0 “v 极性有： 正相位于基线以上 负相位于基线以下 各种脑电波在临床上代表了不同的大脑活动状况，部分脑电波意义如下： 盘波：健康成年人以a 节律占优势，睁开眼睛或接受其他刺激时，口波立即消 失而呈现快波。如果被试者又安静闭眼时，则1 2 波又重现。枕部a 波数量最多， 7 东北大学硕士学位论文 第二章脑电信号的分析与采集 波幅最大，波形最整齐，节律性最好。 口波：临床上常把1 4 1 7 h z 的s 频段和1 8 3 0 h z 的声频段合称为卢节律， 波幅低于3 0 v 。分布于额及中央区，其次为前中颞。随年龄增长节律波逐渐 增多，老年以后又逐渐减少。 0 波：波幅2 0 4 0 “v ，散布于额区、中央区、颞区，顶区亦有少量。困倦时 一般可见到0 波。 占波：波幅2 0 口v 以下。散布于额区，指数小于5 。成人清醒状态下，几乎 是没占波的。但在睡眠期间，皮层脑电可出现j 波。 2 3 诱发电位 诱发电位( e v o k e dp o t e n t i a l ，e p ) 是中枢神经系统在感受外在或内在刺激的 过程中产生的生物电活动1 0 】。“诱发”一词是对“自发”而言的。中枢神经系统的 自发电位，如脑电图( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) 反映的是大脑皮层在无外界 刺激时产生的电活动。这种电活动多具有连续性和节律性。诱发电位( e p ) 是代 表中枢神经系统( c e n t r a ln e r v o u ss y s t e m ，c n s ) 在特定功能状态下的生物电活动 的变化。 外界发生的事件，皆以不同形式刺激人体的感觉器官并产生神经冲动。这些 神经冲动沿特定的通路向中枢传递，直至大脑皮层。神经冲动在其通路的不同阶 段上，经过不同级别的组合、分析和反应，最后在大脑皮层对这些神经冲动传递 的信息进行复杂的综合处理。如对刺激信息的分析，并做出判断，最后设计并发 出适当反应。在神经冲动传导的不同阶段上，有关的神经元结构都会产生自身的 电位活动。若在头皮或身体其它部位安放电极，上述生物电活动可以被记录下来。 该电位活动统称为诱发电位。 诱发电位的刺激因素指刺激强度、刺激部位和刺激方式等，对诱发电位具有 重要的影响【1 ”。刺激强度影响诱发电位的幅度和潜伏期。幅度随刺激强度的增大 而变大。但是当强度达到一定的值后，诱发电位幅值就不再上升。不同的刺激， 如声、光或皮肤刺激所引起的诱发电位不同，这与脑的不同部位对这些刺激所具 有的不同反应形式有关，即与这些刺激信息在脑内的传递通路和脑的主宰反应部 位有关。 一8 东北大学硕士学位论吏第二章脑电信号的分析与采集 人们无法对这种自然刺激诱发的c n s 电位变化进行定性分析和研究【幢】。可行 的方法乃是使用诸如数量、强度、频率和持续时间等参量进行严格控制。进而可 能对记录的结果作定量和定性分析，也有可能使记录方法和分析方法标准化，以 期达到临床实用的目的。在记录e p 时，需要在相当的时间内重复给予几百乃至几 千次刺激。这显然不是自然刺激具有的特性。纵然如此，还是可以把人为刺激看 作是自然刺激的分解成分。前者诱发的电位活动能反映c n s 生物电活动的一个侧 面 9 1 。 2 3 1 诱发电位的分析方法 在对诱发电位处理的时候，一般采用的是叠掘技术和平均技术。叠加技术是 把很多次的刺激波形按一定的次序累加起来。平均方法是把累加的结果除以刺激 次数，恢复e p 原貌。 感觉刺激引起的神经冲动达到c n s 不同部位会产生相应类型的e p 。有些e p 波幅较大，如闪光刺激诱发的光驱动( p h o t i cd r i v i n g ) ，在常规脑电图中就能见到。 记录e e g 时，若以每秒1 次的闪光刺激，则在刺激后的1 5 0 m s 左右，在枕区可见 一波峰，这就是瞬态视诱发电位。但这种e p 波形不清晰，加上闪光刺激的亮度变 化不稳定，故所得结果的变异很大，无法用于临床。 绝大多数e p ，特别是临床上最有价值的模式翻转视诱发电位( p r v e p ) 、脑 干听觉诱发电位( b a e p ) 和短潜伏期体感诱发电位( s l s e p ) ，在e e g 记录中是 不能够见到。因为e p 波幅很小，约为0 1 2 0 p v ，被掩盖在波幅较大的自发脑电 活动中，或各种伪迹和干扰之中。自发性e e g 、各种伪迹和干扰等统称为背景电 活动( b a c k g r o u n da c t i v i t y ) ，其波幅可达到2 0 至数百微伏。所以e e g 技术不可能 把波幅微小的e p 记录出来。 为了把埋藏在背景活动中的e p 分离出来，需要借助于特殊的技术。目前使用 的方法就是信号平均技术和叠加技术。两种方法的本质是在反复给予相同的刺激 过程中，使与刺激有固定时间关系的电位活动相对地逐渐增大；而与刺激无固定 时间关系的背景电活动在多次运算中互相消减，逐渐使e p 从背景中显现出来”。 东北大学硕士学位论文第二章脑电信号的分析与采集 2 3 2 诱发电位与脑自发电位的关系 诱发电位不同于传统的自发脑电【1 。它具有以下三个特性： 1 在给被检测个体一特定刺激的同时，同步启动计算机进行信号的采集和叠 加，使刺激信号与诱发脑电记录点之间具有严格的时间关系，即它们之涮有一相 对固定的潜伏期。此潜伏期由刺激点和记录点之间的距离，通路的突触数量，突 触延迟时间及传入神经冲动的传导速度等因素决定。 2 刺激特定的感觉系统所造成的诱发电位具有特定的模式，在同一条件下可 以再现。 3 特定感觉系统的诱发电位，在空间上以相应的皮层投影区为出现的中心， 并经该区向其他区域传播。因为诱发电位是在刺激控制下出现的，同时具有上述 特性，故它可以提供关于不同感觉及相关脑区更多的信息，是一个较复杂的、有 一定规律的、具有潜伏期、极性和波幅的特定脑电图形。 因此诱发电位比自发脑电记录有较多的数值分析的可能，是自发脑电无法比 拟的。 实验表明，在意识受损或增强时，都可使大脑诱发电位发生改变。同样，意 识水平也影响自发脑电，但不能因此认为诱发脑电与自发脑电有一对一的关系。 它们不是同一中枢过程的完全相同的指征，它们之间的相关程度较低，并因某些 因素如导联的安放位置而变化。多数情况下，诱发电位和自发脑电可看作是脑的 相对独立的脑电活动指征。所咀，同时描记诱发电位和自发脑电，比单独描记一 个可获得更完整的图像。换句话说，从目前看来二者间只能相辅相成，互取所长， 而不是彼此替代。 2 4 使用b c i 系统采集脑电波的方法 所谓的脑一计算机接口( b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，b c i ) 是在人脑与计算机 或其它电子设备之间建立的直接交流和控制通道，通过它，大脑能够与外界进 行信息交换与控制，从而人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备，而不需 要语言或动作。 在脑电波的测量中都要使用电极，对于我们的系统也是通过电极与大脑相 连。电极是安置在头皮上用以导电的导体。电极的种类很多，常用的有以下几 一l o ， 东北大学硕士学位论文第二章脑电信号的分析与采集 种：挚型银管电极、粘连电极、针电极、银丝蝶骨电极等。各种电极均有其优 缺点及应用范围引。在本系统中采用银管电极，银管电极接触头皮一端，用海 棉裹住，湿有食盐水，并有塑料座固定。 对于电极安放，先介绍国际标准的电极安放方法及一些术语： 前额区：位于发线之上，并与瞳孔成一直线。 中央区：位于鼻根与枕骨粗隆形成的连线与两侧外耳孔形成的连线之点( 即 百会穴) 旁开3 c m 。 中额区：位于前额区和中央区等距离之点。 枕区：位于枕骨粗隆上及旁开各3 c m 。 顶区：位于枕区与中央区等距离之点。 前颞区：位于外毗和耳屏水平等距离之点。 中颞区：位于中央区和外耳孔等距离之点。 后颞区：位于乳突上枕区与中颞区等距离之点。 电极点定位先用软尺从鼻根至枕骨分为前额f p 、中额f m 、中央c 、顶部p 、 枕o 五个等距离区。又分别从前额至颞骨画一直线( 前额线) 、从颞至耳前画 一直线( 中额线) 、从中央点到外耳7 l 画一直线( 中央线) 、从顶点至耳后画一 直线( 顶线) ，又从枕点至乳突嵴画一直线( 枕线) 。用软尺量出鼻根至枕骨粗 隆的距离( 中线) 及从两侧耳前凹陷通过中线的距离，然后从前到后或从后到 前，从左到右或从右到左1 0 及2 0 距离安放电极，并分别称为f p l 、f m 3 、 c 3 、p 3 、0 l 、f 7 、t 3 、t 5 、f p 2 、f m 4 、c 4 、p 4 、0 2 、f 8 、t 4 、t 6 ，中线f z 、 c z 、p z 、a 1 、a 2 、及无关电极。 东北大学硕士学位论文 第三章t c p i p 协议 3 1 引言 第三章t c p i p 协议 为了使不同实验室的计算机之间能够实时通讯，资源共享。我们必须了解网 络通信的基本知识，t c p i p 协议是计算机之间进行通信的标准。 很多不同的厂家生产各种型号的计算机，它们运行完全不同的操作系统，但 t c p 口协议族允许它们互相进行通信。这一点很让人感到吃惊，因为它的作用己 远远超出了起初的设想。t c p 口起源于6 0 年代术美国政府资助的一个分组交换网 络研究项目，到9 0 年代已发展成为计算机之间最常应用的组网形式。它是一个真 正的丌放系统，因为协议族的定义及其多种实现可以不用花钱或花很少的钱就可 以公开地得到。它成为被称作“全球互联网”或“因特暖 ( i n t e m e t ) ”的基础【1 3 】。 3 2 分层 网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。一个 协议族，比如t c p 口，是一组不同层次上的多个协议的组合。t c p 坤通常被认 为是一个四层协议系统 1 4 】，如图3 1 所示。 应用层 运输层 网络层 链路层 每一层负责不同的功能 t e l n e t 、f t p $ 1 e m a i l 等 设备驱动程序及接口 图3 1t c p p 协议族的四个层次 1 2 东北大学硕士学位论丈第三章t c p i p 协议 ( 1 、链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱 动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆( 或其他任何传输媒 介) 的物理接口细节。 ( 2 1 网络层，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。 在t c p 口协议族中，网络层协议包括口协议( 网际协议) ，i c m p 协议( i n t e m e t 互联网控制报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e m e t 组管理协议) 。 ( 3 ) 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p 口协议族中， 有两个互不相同的传输协议：t c p ( 传输控制协议) $ i u d p ( 用户数据报协议) 。 t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给 它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后 确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用 层可以忽略所有这些细节。而另一方面，u d p , 贝i 为应用层提供种非常简单的服 务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数 据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。这两种运输层协议 分别在不同的应用程序中有不同的用途。 ( 4 ) 应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的t c p 口实现都会提供 下面这些通用的应用程序： t e l i l e t 远程登录。 f t p 文件传输协议。 s m t p 简单邮件传送协议。 s n m p 简单网络管理协议。 假设在一个局域网( l a n ) 如以太网中有两台主机，二者都运行f t p 协议，图 3 2 y 1 出了该过程所涉及到的所有协议。 一1 3 东北犬学硕士学位论文 第三章t c p i p 协议 图3 2 局域网上运行n i p 的两台主机 进程( 处理程序应 廿) 核( 处理通信细 节) 这里，我们列举了一个f t p 客户程序和另一个f t p 务器程序。大多数的网络 应用程序都被设计成客户一服务器模式。服务器为客户提供某种服务，在本例中 就是访问服务器所在主机上的文件。在远程登录应用程序t e l n e t 中，为客户提供的 服务是登录到服务器主机上。 在同一层上，双方都有对应的一个或多个协议进行通信。例如，某个协议允 许t c p 层进行通信，而另一个协议则允许两个口层进行通信。 在图3 2 的右边，我们注意到应用程序通常是一个用户进程，而下三层则一般 在( 操作系统) 内核中执行。尽管这不是必需的，但通常都是这样处理的。 在图3 2 中，顶层与下三层之间还有另一个关键的不同之处。应用层关心的是 应用程序的细节，而不是数据在网络中的传输活动。下三层对应用程序一无所知， 但它们要处理所有的通信细节。 在图3 2 中列举了四种不同层次上的协议。f t p 是一种应用层协议，t c p 是一种 运输层协议，p 是一种网络层协议，而以太网协议则应用于链路层上。t c p i p 协 议族是一组不同的协议组合在一起构成的协议族。尽管通常称该协议族为t c p i p ，但t c p 和i p 只是其中的两种协议而已( 该协议族的另一个名字是i n t e m e t 协议族 ( i n t e m e tp r o t o c o ls u i t e ) ) 。 3 2 1 t c p i p 的分层 东北是学硕士学位论文第三章t c p i p 协议 t c p 和u d p 是两种最为著名的运输层协议，二者都使用口作为网络层协议。 虽然t c p 使用不可靠的i p 服务，但它却提供一种可靠的运输层服务。u d p 为应用程 序发送和接收数据报。一个数据报是指从发送方传输到接收方的一个信息单元( 例 如，发送方指定的一定字节数的信息) 。但是与t c p 不同的是，u d p 是不可靠的， 它不能保证数据报能安全无误地到达最终目的。口是网络层上的主要协议，同时被 t c p 年d u d p 使用。t c p 和u d p 的每组数据都通过端系统和每个中间路由器q 1 的i p 层 在互联网中进行传输 1 5 1 。 i c m p 是i p 协议的附属协议。层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和 其他重要信息。 i g m p 是i n t e m e t 组管理协议。它用来把一个u d p 数据报多播到多个主机。a r p ( 地址解析协议) 和r a r p ( 逆地址解析协议) 是某些网络接口( 如以太网和令牌 环网) 使用的特殊协议，用来转换i p 层和网络接口层使用的地址。 3 3 网络协议 3 3 1 网际协议( i p 协议) 口是t c p 口协议族中最为核心的协议。所有的t c p 、u d p 、i c m p 及i g m p 数 据都以碑数据报格式传输。许多刚开始接触t c p ，口的人对d 提供不可靠、无连接 的数据报传送服务感到很奇怪。 不可靠( u n r e l i a b l e ) 的意思是它不能保证d 数据报能成功地到达目的地。口仅提 供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，p 有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送i c m p 消息报给信源端。任 何要求的可靠性必须由上层来提供( j i u t c p ) 。 无连接( c o n n e c t i o n l e s s ) 这个术语的意思是口并不维护任何关于后续数据报的 状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明，p 数据报可以不按发送 顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报( 先是a ，然后是b ) ， 每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此b 可能在a 到达 之前先到达m l 。 一1 5 鱼! ! 查堂塑主兰堡堕墨 3 3 2 用户数据报协议( u d p 协议) 第三章t c p i p 协议 u d p 是一个简单的面向数据报的运输层协议：进程的每个输出操作都正好产生 一个u d p 数据报，并组装成一份待发送的数据报。这与面向流字符的协议不同， 女i t c p ，应用程序产生的全体数据与真正发送的单个口数据报可能没有什么联系。 u d p 数据报封装成一份口数据报的格式。如图3 3 所示。 一i p 数据报一卜 一 u d p 数据报_ - 卜 2 0 字：符8 字节 图3 3u d p 封装 r f c 7 6 8 p o s t e l1 9 s 0 是u d p 的正式规范。u d v 刁v 提供可靠性：它把应用程序 传给口层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。应用程序必须关一t ：, i p 数据报的长度。如果它超过网络的m t u ( 最大传输单元) ，那么就要对坤数据报 进行分片。如果需要，源端到目的端之间的每个网络都要进行分片，并不只是发 送端主机连接第一个网络才这样做。 3 3 3 传输控制协议( t c p 协议) 尽管t c p $ i i u d p 都使用相同的网络层( 口) ，t c p 却向应用层提供与u d p 完全不 同的服务。 t c p 提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用t c p 的应用( 通常是一个客户和一个服务器) 在彼此交换数据之前必须先建立一个t c p 连接。这一过程与打电话很相似，先拨号振铃，等待对方摘机说“喂”，然后才 说明是谁。 在一个t c p 连接中，仅有两方进行彼此通信。t c p 通过下列方式来提供可靠性： 应用数据被分割成t c p 认为最适合发送的数据块。这* n e d l 完全不同，应用 程序产生的数据报长度将保持不变。由t c p 传递给p 的信息单位称为报文段 一1 6 东北大学硕士学位论文第三章t c p i p 协议 或段( s e g m e n t ) 。 当t c p 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。 如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。 当t c p 收到发自t c p 连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是 立即发送，通常将推迟几分之一秒。 t c p 将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检 测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，t c p 将丢 弃这个报文段和不确认收到此报文段( 希望发端超时并重发) 。 既然t c 时艮文段作为口数据报来传输，而数据报的到达可能会失序，因此 t c p 报文段的到达也可能会失序。如果必要，t c p 将对收到的数据进行重 新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。 既然p 数据报会发生重复，t c p 的接收端必须丢弃重复的数据。 t c p 还能提供流量控制。t c p 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。t c p 的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快 主机致使较慢主机的缓冲区溢出。 两个应用程序通过t c p 连接交换8b i t 字节构成的字节流。t c p 不在字节流中插 入记录标识符。我们将这称为字节流服务( b y t e s t r e a ms e r v i c e ) 。如果一方的应 用程序先传1 0 字节，又传2 0 字节，再传5 0 字节，连接的另一方将无法了解发方每 次发送了多少字节。收方可以分4 次接收这8 0 个字节，每次接收2 0 字节。一端将字 节流放到t c p 连接上，同样的字节流将出现在t c p 连接的另一端。 另外，t c p 对字节流的内容不作任何解释。t c p 不知道传输的数据字节流是二 进制数据，还是a s c i i 字符、e b c d i c 字符或者其他类型数据。对字节流的解释由 t c p 连接双方的应用层解释。 t c p 数据被封装在一个口数据报中，如图3 4 所示。 i p 数据报 一 - 一t c p 报文段斗 图3 4t c p 数据在i p 数据报中的封装 一1 7 东北大学硕士学位论文第三章t c p i p 协议 每个t c p 段都包含源端和目的端的端口号，用于寻找发送端和接收端应用进 程。这两个值加上口首部中的源端口地址和目的端p 地址唯一确定一个t c p 连接。 有时，一个i p 地址和一个端口号也称为一个套接字( s o c k e t ) 。这个术语出现在最 早的t c p 规范( r f c 7 9 3 ) 中，后来它也作为表示伯克利版的编程接口。套接字对 ( s o c k e t p a i r ) ( 包含客户i p 地址、客户端口号、服务器i p 地址和服务器端口号的四 元组) 可唯一确定互联网络中每个t c p 连接的双方。 序号用来标识从t c p 发送端向t c p 接收端发送的数据字节流，它表示在这个报 文段中的第一个数据字节。如果将字节流看作在两个应用程序间的单向流动，则 t c p 用序号对每个字节进行计数。序号是3 2b i t 的无符号数，序号到达2 ”一1 后又从 o 开始1 6 1 。 当建立一个新的连接时，s y n 标志变1 。序号字段包含由这个主机选择的该 连接的初始序号i s n ( h a i t i a ls e q u e n c en u m b e r ) 。该主机要发送数据的第一个字节 序号为这个i s n 加t 1 ，因为s y n 标志消耗了一个序号。 既然每个传输的字节都被计数，确认序号包含发送确认的一端所期望收到的 下一个序号。因此，确认序号应当是上次己成功收到数据字节序号加l 。只有a c k 标志( 下面介绍) 为1 时确认序号字段才有效。发送a c k 无需任何代价，因为3 2b i t 的确认序号字段和a c k 标志一样，总是t c p 首部的一部分。因此，我们看到一旦 个连接建立起来，这个字段总是被设置，a c k 标志也总是被设置为1 。 t c p 为应用层提供全双工服务。这意味数据能在两个方向上独立地进行传输。 因此，连接的每一端必须保持每个方向上的传输数据序号。 t c p 可以表述为一个没有选择确认或否认的滑动窗口协议。我们说t c p 缺少选 择确认是因为t c p 首部中的确认序号表