基于Unity3D的腦電圖檢測(cè)與分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和開發(fā)

李凌，張婷婷，謝珂

電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610054

前言

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，也是近年來臨床應(yīng)用快速發(fā)展的重要組成部分［1-3］。腦電圖技術(shù)擁有毫秒級(jí)別的時(shí)間分辨率，實(shí)時(shí)記錄生物體豐富的狀態(tài)和性質(zhì)信息，是癲癇腦網(wǎng)絡(luò)機(jī)制、孤獨(dú)癥影像學(xué)、交互式腦疾病干預(yù)、腦電信息獲取關(guān)鍵技術(shù)等方面的重要研究手段。例如，在臨床疾病診斷中，常用外界刺激所誘發(fā)的事件相關(guān)電位—P300成分來進(jìn)行精神分裂癥、抑郁癥等認(rèn)知障礙人群的篩查［4-7］。

腦電圖技術(shù)在科學(xué)研究方面顯得尤為重要，但是該技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和分析過程中也存在很多技術(shù)難點(diǎn)。一方面，在數(shù)據(jù)采集過程中，腦電信號(hào)強(qiáng)度弱（微伏量級(jí)）、高隨機(jī)性及非平穩(wěn)性、非線性、背景噪聲復(fù)雜，包括眼動(dòng)干擾、肌肉活動(dòng)干擾、50 Hz工頻干擾等特點(diǎn)，使得腦電圖數(shù)據(jù)采集不僅需要高質(zhì)量的放大器和傳感器，還需要受試者清潔頭皮，同時(shí)借助導(dǎo)電膏、磨砂膏等輔材降低皮膚阻抗才能達(dá)到高信噪比的信號(hào)采集目的。另一方面，在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程中，針對(duì)不同波段的靜息態(tài)腦電數(shù)據(jù)，主要采用功率譜估計(jì)方法分析信號(hào)的能量特征隨頻率變化關(guān)系。其中，第一種估計(jì)方法是周期圖法，是信號(hào)相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。因其不是一致估計(jì)法，因此就有了改進(jìn)的Welch法［8］，它采用信號(hào)分段、加窗、快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform,FFT）、模平方、加權(quán)平均等技術(shù)來估計(jì)功率譜。結(jié)果表明，與周期圖法相比，Welch法可以改善功率譜曲線的平滑性，是一致估計(jì)。

綜上所述，腦電信號(hào)幅度微弱、信噪比低，且極易受到眼動(dòng)、肌電、工頻等干擾，需要借助精密儀器設(shè)備來采集信號(hào)。另外此類實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，限制其在大規(guī)模實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。腦電數(shù)據(jù)采集步驟復(fù)雜，學(xué)生需要重復(fù)練習(xí)方可熟練掌握其基本操作。課上數(shù)據(jù)分析方法繁瑣、實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)有限，也使教師和學(xué)生在課下需要花費(fèi)大量時(shí)間充分準(zhǔn)備課程內(nèi)容。

為解決上述問題，擬應(yīng)用不同的現(xiàn)代教學(xué)手段提高教學(xué)質(zhì)量，例如應(yīng)用3D渲染效果和跨平臺(tái)性的Unity3D開發(fā)工具來實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)［9-13］。通過對(duì)教學(xué)實(shí)踐的不斷總結(jié)，并結(jié)合本校特點(diǎn)，利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)（Unity3D），以C#為腳本語言，開發(fā)了一個(gè)虛擬仿真可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將復(fù)雜的實(shí)際腦電數(shù)據(jù)采集過程和實(shí)驗(yàn)課程的數(shù)據(jù)處理方法巧妙的應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)形成完整的一套實(shí)驗(yàn)流程。幫助學(xué)生利用該虛擬仿真平臺(tái)在線進(jìn)行操作練習(xí)，有效提高實(shí)際操作的學(xué)習(xí)效率。2019年本平臺(tái)被評(píng)為四川省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)包括：（1）腦電圖測(cè)量原理和操作過程，包括采樣率、濾波器等數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)和心理學(xué)認(rèn)知任務(wù)設(shè)計(jì)等知識(shí)；（2）腦電信號(hào)的頻域特征分析，包括傅里葉變換、功率譜估計(jì)等方法。因此擬設(shè)計(jì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：（1）腦電圖檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)1）；（2）閉眼和開眼腦電功率譜差異分析（實(shí)驗(yàn)2）。

實(shí)驗(yàn)1擬通過腦電圖檢測(cè)所需器材的豐富細(xì)節(jié)展示與用途介紹、交互式的操作流程以及多視角切換的視覺體驗(yàn)，充分地展示腦電圖檢測(cè)的真實(shí)場(chǎng)景。通過系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的興趣，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)腦電圖檢測(cè)原理的理解與認(rèn)識(shí)。為探討不同疾病的臨床腦電圖典型功率譜特性，該實(shí)驗(yàn)擬對(duì)4種任務(wù)進(jìn)行虛擬腦電圖檢測(cè)：靜息態(tài)的開眼和閉眼、工作記憶、視覺注意與搜索、目標(biāo)面孔檢測(cè)。任務(wù)態(tài)范式如圖1所示［14-16］。

圖1 3種任務(wù)態(tài)的實(shí)驗(yàn)范式示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3 kinds of experiment task paradigms

實(shí)驗(yàn)2擬對(duì)實(shí)驗(yàn)1采集的靜息態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，著重考察學(xué)生對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程中頻域特征分析相關(guān)理論知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用能力。首先使用周期圖法估計(jì)功率譜，比較不同任務(wù)數(shù)據(jù)的功率譜差異，達(dá)到疾病檢測(cè)的目的；然后采用改進(jìn)周期圖法估計(jì)功率譜，并與周期圖法進(jìn)行比較，總結(jié)改進(jìn)算法的優(yōu)缺點(diǎn)［17］。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)

2.1 總體框架設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的總體框架如圖2所示，完整描述了實(shí)驗(yàn)流程及該平臺(tái)所實(shí)現(xiàn)的功能，為使用者的實(shí)際操作提供理論指導(dǎo)。

2.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)圖2的功能，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟件系統(tǒng)框架如圖3所示。采用B/S架構(gòu)，通過Unity引擎，以C#為腳本語言，瀏覽器提供訪問H5的WebGL內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)用戶管理、數(shù)據(jù)處理、場(chǎng)景交互及特效等功能模塊。

圖2 總體實(shí)驗(yàn)框圖Fig.2 Overall experimental framework

圖3 系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.3 System architecture

2.2.1 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖4所示，包括三維模型創(chuàng)建、三維動(dòng)畫制作、用戶界面（User Interface,UI）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、各種交互功能的實(shí)現(xiàn)、服務(wù)器發(fā)布測(cè)試等多個(gè)方面。

圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的流程圖Fig.4 Flowchart of system implementation

2.2.2 三維模型創(chuàng)建、貼圖以及模型的導(dǎo)出（1）三維模型創(chuàng)建。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的就是為了克服實(shí)際設(shè)備的不足，為學(xué)生提供更多的操作機(jī)時(shí)，所以需要將實(shí)驗(yàn)中用到的所有設(shè)備模型在3DMax中創(chuàng)建出來。本實(shí)驗(yàn)主要用到的設(shè)備包括：分頻器、腦電帽、放大器、膠帶、心電電極、棉簽、平口注射器、磨砂膏、導(dǎo)電膏和濃鹽水等。為了營(yíng)造更真實(shí)的效果，筆者按照真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景創(chuàng)建了一個(gè)布局和真實(shí)實(shí)驗(yàn)室一致的虛擬實(shí)驗(yàn)室，這樣學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，到了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室也可以迅速開展實(shí)驗(yàn)。所有這些模型素材都存入模擬實(shí)驗(yàn)素材庫(kù)，未來其他模擬實(shí)驗(yàn)就可直接使用。（2）材質(zhì)貼圖。所有創(chuàng)建的模型采用標(biāo)準(zhǔn)的材質(zhì)球。為了使學(xué)生熟悉真實(shí)的設(shè)備，從腦電設(shè)備廠商的真實(shí)設(shè)備獲取產(chǎn)品的各個(gè)參數(shù)素材。將設(shè)備模型UV導(dǎo)出TGA格式，導(dǎo)入Photoshop中根據(jù)UV位置和設(shè)備素材繪制貼圖紋理。（3）模型的導(dǎo)出。將所有設(shè)備的模型單獨(dú)導(dǎo)出為FBX格式。分割出來的模型包括顯示器的屏幕（quad）等部分用于后面動(dòng)態(tài)更新貼圖。

2.2.3 音樂噴泉的3D動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)結(jié)果展示的音樂噴泉通過調(diào)節(jié)兩邊變量增量來實(shí)現(xiàn)噴泉效果的差異。項(xiàng)目通過讀取文本配置文件來設(shè)置openmax_delta和closemax_delta來調(diào)節(jié)噴泉的速度變量。在3D軟件中，要實(shí)現(xiàn)這種動(dòng)畫效果，需要根據(jù)不同數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)展示的效果，這時(shí)候需要用到粒子特效系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)噴泉的效果。筆者只需要調(diào)節(jié)粒子發(fā)射器的坐標(biāo)位置和噴泉的底座模型結(jié)合在一起，就可以在編輯器中預(yù)覽實(shí)現(xiàn)的效果。一般粒子系統(tǒng)是通過CPU計(jì)算來進(jìn)行的，從實(shí)時(shí)渲染和客戶端瀏覽器運(yùn)行時(shí)的性能考慮，在噴泉的物理模型方面不會(huì)涉及到復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。筆者只需要給粒子系統(tǒng)設(shè)置通用的屬性：速度、顏色、形狀、大小和生命周期等參數(shù)，調(diào)節(jié)到一個(gè)和噴泉比較接近的效果后，就可以固定其他參數(shù)，只調(diào)節(jié)速度參數(shù)，就可以控制噴泉水柱高度。

為了讓測(cè)試看到的畫面更自然，調(diào)用了一款Unity3D插件Realistic Water Fountain（https://assetstore.unity.com/packages/vfx/particles/environment/realistic-waterfountain-65055），來呈現(xiàn)一個(gè)令人放松的真實(shí)噴泉效果。Unity3D這個(gè)平臺(tái)的Asset Store資源商店中提供了大量的優(yōu)秀插件來幫助我們實(shí)現(xiàn)更好的特效功能，直接應(yīng)用這些插件不僅能夠節(jié)省項(xiàng)目時(shí)間，而且可以實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的效果。再配上循環(huán)播放的音樂，就可以呈現(xiàn)一個(gè)音樂噴泉3D動(dòng)畫。

類似于這樣的方式還有很多種，對(duì)于機(jī)械制圖、數(shù)控操作等課程，教師可以借助展示、比賽等模式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行激勵(lì)。對(duì)于成績(jī)比較好的學(xué)生還可以組織他們一同參與省市的競(jìng)賽。不論遇到怎樣的結(jié)果，這些激勵(lì)性的語言對(duì)學(xué)生的發(fā)展都有深遠(yuǎn)的意義。

2.2.4 交互界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在Unity3D中自帶UGUI界面系統(tǒng)可以滿足界面操作所需的全部控件。本系統(tǒng)用戶交互設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的是網(wǎng)站使用，考慮到未來本系統(tǒng)延伸到觸屏平板App操作，主要操作方式是點(diǎn)擊，雖然本系統(tǒng)有少量操作需要使用鍵盤導(dǎo)航（ADWS控制在虛擬實(shí)驗(yàn)室中漫游），但可以用虛擬按鍵替代，所以用到的界面控件包括Button、Text、Image、Canvas和Panel。在交互操作中考慮到觸屏操作，所以在交互設(shè)計(jì)中按鍵考慮手指點(diǎn)擊區(qū)域大小避免誤觸。并使用貼圖進(jìn)行美化，對(duì)普通按鈕使用統(tǒng)一的樣式，對(duì)記錄、停止等特殊功能按鈕使用綠色和紅色樣式進(jìn)行區(qū)別。

2.2.5 交互功能的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的交互功能主要有界面間跳轉(zhuǎn)、文本輸入、對(duì)3D模型的控制、通過鼠標(biāo)滾輪對(duì)模型進(jìn)行放大縮小、通過拖動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、跳轉(zhuǎn)URL、使用鍵盤移動(dòng)攝像機(jī)和碰撞檢測(cè)。小的頁面之間切換通過顯示隱藏的方式實(shí)現(xiàn)，大功能模塊之間場(chǎng)景切換的方式實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)儀器介紹中主要通過動(dòng)態(tài)加載儀器模型，通過監(jiān)聽鼠標(biāo)滾輪事件對(duì)模型進(jìn)行放大縮小，通過監(jiān)聽鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)事件進(jìn)行模型的旋轉(zhuǎn)。

在實(shí)驗(yàn)開始后，主要通過點(diǎn)擊事件進(jìn)行操作的判斷。而顯示器畫面通過改變面片的貼圖方式實(shí)現(xiàn)。而“操作顯示器”中的腦電波顯示的效果是將腦電波貼圖圖片里面的WrapMode選項(xiàng)選為Repeat，并且把圖片TextueType設(shè)為defult。將屏幕的shader渲染模式設(shè)置為Unlit/TransParent，然后在屏幕類中的Update函數(shù)中修改Offset x/y的值。Mesh.material.SetTextureOffser().讓圖片在指定的時(shí)間完成一次偏移從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)的背景。在佩戴腦電帽的步驟中，使用監(jiān)聽按鍵事件來移動(dòng)相機(jī)完成對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的漫游。在操作佩戴和導(dǎo)電液注射等操作中，主要是通過鼠標(biāo)和目標(biāo)的碰撞檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)操作正確的判斷。

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能展示

2.3.1 登錄功能如圖5所示，主要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)系統(tǒng)的注冊(cè)、登錄、載入。學(xué)生按要求注冊(cè)登錄該課程系統(tǒng)（網(wǎng)址：bms.uestc.edu.cn）。本校學(xué)生可用電子科技大學(xué)統(tǒng)一身份賬號(hào)直接登錄平臺(tái)，進(jìn)行學(xué)習(xí)。

圖5 腦電圖檢測(cè)與分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面Fig.5 Main interface of the virtual simulation experiment platform for EEG detection and analysis

2.3.2 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)操作功能（1）實(shí)驗(yàn)1：腦電圖檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）。核心虛擬仿真度：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可全方位立體放縮展示各個(gè)實(shí)驗(yàn)所需器材（圖6）。通過設(shè)定按要求依次打開腦電放大器、采集計(jì)算機(jī)、刺激計(jì)算機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集預(yù)掃描，百分百還原真實(shí)腦電數(shù)據(jù)采集平臺(tái)及準(zhǔn)備過程（圖7）。仿真操作設(shè)定放大器的采樣率、濾波帶寬參數(shù)及傳感器允許的最小電阻閾值參數(shù)（圖8）。仿真測(cè)量受試者頭圍大小，選擇合適的腦電帽，學(xué)習(xí)腦電帽佩戴過程（圖9）。仿真了4種認(rèn)知任務(wù)的腦電圖檢測(cè)。

圖6 腦電圖采集平臺(tái)的設(shè)備展示界面Fig.6 Equipment display interface of the EEG acquisition platform

圖7 腦電圖采集平臺(tái)的仿真構(gòu)建示意圖Fig.7 Schematic diagram of simulation construction of EEG acquisition platform

圖8 腦電圖采集平臺(tái)的設(shè)備參數(shù)設(shè)置界面Fig.8 Device parameter setting interface of EEG acquisition platform

圖9 腦電圖檢測(cè)過程的仿真構(gòu)建示意圖Fig.9 Schematic diagram of simulation construction of EEG detection process

（2）實(shí)驗(yàn)2：閉眼和開眼腦電功率譜差異分析（2學(xué)時(shí)）。核心虛擬仿真度：通過Matlab軟件編寫的可視化GUI界面，進(jìn)行閉眼和開眼腦電圖的功率譜分析，獲得和比較這兩種狀態(tài)的腦電圖特征和差異（圖10）［18］。通過結(jié)果的仿真比對(duì)，可查看開眼和閉眼兩種狀態(tài)下，腦電4個(gè)頻率波段的功率譜峰值和均值的大小，同時(shí)以表格和音樂噴泉形式更加直觀地展示兩種狀態(tài)的功率譜大小對(duì)比結(jié)果（圖11）。

圖10 功率譜分析仿真主界面Fig.10 Main interface of power spectrum analysis simulation

圖11 功率譜大小直觀比對(duì)Fig.11 Intuitive comparison of power spectra

3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交和評(píng)價(jià)功能

4 平臺(tái)使用目的

為了克服實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺、操作機(jī)時(shí)有限等困難，本文在課堂教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)茉鰪?qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生實(shí)際腦電數(shù)據(jù)采集動(dòng)手能力。同時(shí)，鍛煉學(xué)生運(yùn)用醫(yī)學(xué)信號(hào)處理知識(shí)，提高處理腦電數(shù)據(jù)的能力。讓學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)腦電圖進(jìn)行功率譜分析，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)腦電圖的頻域特征的理解，從而更好地了解臨床診斷的典型腦電圖特征。具體包括：（1）實(shí)驗(yàn)1通過器材的豐富細(xì)節(jié)展示與用途介紹、交互式的操作流程以及多視角切換的視覺體驗(yàn)，充分地展示了腦電圖檢測(cè)的真實(shí)場(chǎng)景。通過系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的興趣，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)腦電圖檢測(cè)原理的理解與認(rèn)識(shí)。（2）為探討不同疾病的臨床腦電圖典型功率譜特性，腦電圖檢測(cè)虛擬仿真4種認(rèn)知任務(wù)：開眼和閉眼靜息態(tài)、視覺搜索、目標(biāo)面孔檢測(cè)、工作記憶。（3）本項(xiàng)目提供真實(shí)數(shù)據(jù)下載功能，實(shí)驗(yàn)2在實(shí)驗(yàn)1采集的靜息態(tài)腦電數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行功率譜分析：使用周期圖法估計(jì)功率譜，比較不同任務(wù)數(shù)據(jù)的功率譜差異，達(dá)到疾病檢測(cè)的目的；再采用改進(jìn)周期圖法估計(jì)功率譜，總結(jié)改進(jìn)算法的優(yōu)缺點(diǎn)。著重考察學(xué)生對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程中頻域特征分析知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用能力。

5 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮淼睦碚摻榻B、實(shí)驗(yàn)器材及用途的詳細(xì)展示、實(shí)驗(yàn)操作流程的虛擬仿真、真實(shí)腦電數(shù)據(jù)的獲取，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行腦電數(shù)據(jù)的采集、分析和比較。本平臺(tái)特色如下。

（1）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路。本實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路為了解決兩個(gè)問題：①解決腦電實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、本科生缺少腦電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集訓(xùn)練的現(xiàn)實(shí)問題；②學(xué)生分析的腦電信號(hào)一般由老師直接給予，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)來源的理解和認(rèn)識(shí)。同時(shí)考慮到腦電數(shù)據(jù)采集步驟復(fù)雜、學(xué)生需要重復(fù)練習(xí)方可熟練掌握其基本操作這一現(xiàn)狀。因此，在課堂教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)可克服實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺、操作機(jī)時(shí)有限等困難［4-8］。同時(shí)，該技術(shù)的交互性和可重復(fù)性有效地保證了腦電數(shù)據(jù)采集流程的規(guī)范性、熟練性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。進(jìn)一步，學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)下載腦電數(shù)據(jù)，線下進(jìn)行功率譜分析及事件相關(guān)電位特征分析，使得學(xué)生更加容易熟悉和掌握腦電信號(hào)特征。最后，創(chuàng)新性的采用音樂噴泉方式將不同實(shí)驗(yàn)條件的進(jìn)行結(jié)果展示，使同學(xué)們更直觀更好地對(duì)比結(jié)果的差異。

（2）教學(xué)方法創(chuàng)新。①教師統(tǒng)一指導(dǎo)、規(guī)范引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作過程；②引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)、自主思考實(shí)驗(yàn)過程并拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力；③互相演練腦電圖采集流程，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)同完成實(shí)驗(yàn)的能力。通過三步走的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，能極大提升學(xué)生的腦電圖檢測(cè)和分析的理論能力，同時(shí)也能提高實(shí)際動(dòng)手能力，在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下將迅速掌握儀器使用技術(shù)，很大程度減少腦電儀器訓(xùn)練時(shí)間。

（3）評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范、數(shù)據(jù)分析結(jié)果和討論及實(shí)驗(yàn)報(bào)告來對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，頒發(fā)相應(yīng)的腦電儀合格操作證書。同時(shí)根據(jù)學(xué)生和教師的反饋，持續(xù)進(jìn)行評(píng)價(jià)機(jī)制的改進(jìn)，制定更加完善的評(píng)價(jià)體系。大規(guī)模使用后，也將與其他高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目成績(jī)互認(rèn)、學(xué)分轉(zhuǎn)換等機(jī)制的探討和制定。

（4）對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展。本平臺(tái)教學(xué)方式采用網(wǎng)絡(luò)虛擬交互方式，是傳統(tǒng)教學(xué)的延伸和拓展，不受時(shí)間、空間、設(shè)備的限制，達(dá)到知識(shí)的自由廣泛傳播目的。在開放運(yùn)行中，配合國(guó)家資源共享課《生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理》網(wǎng)絡(luò)資源，提供給沒有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的高校學(xué)生，掌握了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作分析后，為其將來進(jìn)一步深造打下基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

通過對(duì)基于《生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理》課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作及教學(xué)過程的實(shí)踐，充分發(fā)揮了現(xiàn)代教學(xué)手段在提升教學(xué)效果方面的重要作用［19-21］。作為一門重要的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科專業(yè)課，醫(yī)學(xué)信號(hào)處理隨著科學(xué)研究的發(fā)展也在不停的變化和發(fā)展，因此必須把講解經(jīng)典方法和介紹最新發(fā)展動(dòng)態(tài)結(jié)合起來。將該平臺(tái)應(yīng)用于教學(xué)，學(xué)生可自主利用虛擬仿真平臺(tái)在線進(jìn)行操作練習(xí)，有效地提高了實(shí)際操作的學(xué)習(xí)效率。與此同時(shí)，為學(xué)生打好專業(yè)基礎(chǔ)，更好地理解所學(xué)專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，保證了教學(xué)質(zhì)量。

目前，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生教學(xué)中推廣使用，并受到腦電設(shè)備代理廠商的好評(píng)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目將根據(jù)學(xué)科發(fā)展要求持續(xù)完善與更新，向高校和社會(huì)提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，配合《生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理》國(guó)家精品資源共享課，充分發(fā)揮該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的交互性、自主性和開放性。