EEG Simulator | 脑电信号仿真器

基于 PyQt6 和 MNE-Python 的脑电信号仿真平台，支持从真实大脑模型加载源空间，可视化选择信号源，配置偶极子、信号生成器和耦合模型，实现实时脑电信号仿真。

English Documentation

---

✨ 功能特点

功能	描述
🧠 真实脑模型	加载 MNE 标准大脑模型（如 sample 数据集），支持 MRI 切片可视化
🎯 可视化源点选择	在 MRI 切片上手动选择，或按解剖标签（Atlas）批量选择信号源
📊 灵活的信号配置	支持正弦波、方波、锯齿波、脉冲、噪声等多种信号类型
🔗 耦合模型	定义偶极子之间的连接关系（线性/非线性/延迟耦合）
🔊 噪声管理	支持白噪声、粉红噪声、1/f 噪声、生理噪声（EOG/EMG/ECG）等
📁 项目管理	创建、保存、加载完整的仿真项目配置
🎨 现代化 UI	支持深色/浅色主题切换，中英文界面
⚙️ BEM 模型	设置脑组织、颅骨、头皮的导电率并生成 BEM 模型

---

📁 项目结构

EEG_Simulation/
├── eegs/                          # 主程序包
│   ├── core/                      # 仿真核心
│   │   ├── simulator_nav.py       # 主仿真器（NavigationView 布局）
│   │   ├── signal_engine.py       # 信号生成引擎
│   │   ├── mne_simulator.py       # MNE 集成仿真器
│   │   └── simulator.py           # 基础仿真器
│   ├── models/                    # 数据模型
│   │   ├── patch.py               # Patch 模型（偶极子组管理）
│   │   ├── coupling.py            # 耦合模型
│   │   ├── mne_coupling.py        # MNE 耦合引擎
│   │   └── signal.py              # 信号生成器
│   ├── ui/                        # 用户界面
│   │   ├── styles.py              # QSS 样式
│   │   ├── themes.py              # 主题管理（深色/浅色）
│   │   ├── widgets/               # 基础控件
│   │   ├── panels/                # 配置面板
│   │   └── dialogs/               # 对话框
│   ├── utils/                     # 工具模块
│   │   ├── config_manager.py      # 配置管理（SQLite）
│   │   ├── project_manager.py     # 项目管理
│   │   ├── mne_loader.py          # MNE 数据加载
│   │   ├── i18n.py                # 国际化
│   │   └── logger.py              # 日志管理
│   ├── __init__.py
│   └── __main__.py                # 模块入口
├── tests/                         # 测试模块
├── main.py                        # 启动脚本
├── requirements.txt               # 依赖列表
└── README.md                      # 本文件

---

🚀 快速开始

环境要求

• Python 3.8+
• Windows / Linux / macOS
• 4GB+ 内存（推荐 8GB）

安装

# 1. 克隆仓库
git clone <repository-url>
cd EEG_Simulation

# 2. 创建虚拟环境（推荐）
python -m venv .venv

# Windows
.venv\Scripts\activate

# Linux/macOS
source .venv/bin/activate

# 3. 安装依赖
pip install -r requirements.txt

# 4. 下载 MNE Sample 数据集（首次运行自动下载）
python -c "import mne; mne.datasets.sample.data_path()"

启动程序

# 方式1：使用启动脚本
python main.py

# 方式2：使用模块方式
python -m eegs

---

📖 使用指南

基本工作流程

┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│  加载源空间  │ -> │  选择信号源  │ -> │  配置信号   │ -> │  运行仿真   │
└─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘

1. 加载源空间

• 点击 "加载 MNE Sample 源空间" 加载示例数据
• 或点击 "从文件加载源空间" 加载自定义 -src.fif 文件

2. 选择信号源

• 点击 "选择源空间点..." 打开 MRI 切片可视化选择器
• 在 MRI 切片上点击选择单个点（绿色=左脑，红色=右脑，黄色星形=已选中）
• 或在 "解剖学标签" 中勾选区域，批量添加选中区域的全部源点

3. 配置信号

• Patch 管理：创建和管理 Patch（相邻偶极子组）
• 信号生成器：为正弦波、ERP、Gamma 等信号配置参数
• 耦合模型：定义 Patch 之间的线性/非线性/延迟连接
• 噪声设置：添加白噪声、生理噪声等

4. 设置 BEM 模型（可选）

• 设置脑组织、颅骨、头皮的导电率
• 点击 "生成 BEM 模型"

5. 开始仿真

• 设置采样率（默认 1000 Hz）
• 选择要显示的 EEG 通道
• 点击 "开始仿真" 查看实时波形

---

🔧 核心概念

Patch 模型

Patch 是 EEG 信号仿真的核心抽象，表示大脑中的一个功能区域：

• 包含一个中心偶极子（anchor）和相邻偶极子
• 所有偶极子共享相同的波形设置
• 支持多种波形类型：正弦波、ERP、Gaussian、Gamma 振荡等

from eegs.models import Patch

# 创建 Patch
patch = Patch(
    id="patch_1",
    label_name="superiortemporal-lh",
    hemi="lh",
    waveform_type="sin",
    waveform_params={"frequency": 10, "amplitude": 10}
)

耦合模型

定义 Patch 之间的信号连接关系：

耦合类型	公式	说明
线性耦合	target += strength * source	直接信号传递
非线性耦合	target += strength * tanh(source)	饱和非线性
延迟耦合	target += strength * source(t-delay)	时延连接

信号类型

类型	说明	参数
Sine	正弦波	frequency, amplitude, phase
ERP	事件相关电位	frequency, latency, width
Gaussian	高斯调制	frequency, sigma, center
Gamma	Gamma 振荡	frequency, alpha, beta

---

🔊 噪声管理

系统支持多种噪声类型，可叠加多个噪声实例，模拟真实 EEG 环境中的各种干扰。

噪声类型

类型	说明	可配置参数
White	白噪声（平坦频谱）	幅度、截止频率
Pink	粉红噪声（1/f 频谱）	幅度
1/f	分数噪声	幅度、指数
Brown	布朗噪声（1/f² 频谱）	幅度
Line	工频干扰	幅度、频率（50/60 Hz）
EOG	眼电伪迹	幅度、截止频率、眨眼频率
EMG	肌电伪迹	幅度、截止频率
ECG	心电伪迹	幅度、心率（BPM）

使用方式

1. 点击 "噪声设置" 按钮打开噪声管理器
2. 在右侧面板选择噪声类型，配置参数
3. 点击 "添加" 将噪声实例加入列表
4. 可添加多个同类型噪声实例（如不同幅度的白噪声）
5. 在左侧面板查看和管理已添加的噪声
6. 点击 "确定" 应用配置

噪声参数说明

参数	说明	适用范围
幅度	噪声强度（μV）	所有噪声类型
截止频率	低通滤波截止频率（Hz）	White、EOG、EMG
指数	1/f 噪声的频谱指数	1/f 噪声
工频频率	50 Hz 或 60 Hz	Line 噪声
心率	心跳频率（BPM）	ECG 噪声
眨眼频率	眨眼次数/秒	EOG 噪声

---

🎮 快捷键

快捷键	功能
Ctrl+N	新建项目
Ctrl+O	打开项目
Ctrl+S	保存项目
Ctrl+Shift+S	另存为

---

⚙️ 设置

程序设置自动保存在 ~/.eegs/config.db（SQLite 数据库）：

• 语言（中文/英文）
• 主题（深色/浅色）
• 默认采样率
• 默认项目目录
• 滤波阶数

---

🧪 测试

# 运行所有测试
python -m pytest tests/

# 运行特定测试
python tests/run_tests.py

# 对比 MNE 仿真结果
python tests/test_compare_mne.py

---

📚 依赖

• GUI: PyQt6 ≥ 6.0.0
• 信号处理: NumPy ≥ 1.20.0, MNE-Python ≥ 1.0.0
• 可视化: pyqtgraph ≥ 0.13.0, Matplotlib ≥ 3.5.0
• 脑影像: NiBabel 5.4.0
• 数据导出: pyEDFlib 0.1.42

---

📄 许可证

MIT License

---

🙏 致谢

• MNE-Python - 强大的脑电数据分析工具
• PyQt - Qt 的 Python 绑定
• pyqtgraph - 高性能科学绘图
• FreeSurfer - 脑影像分析软件

---

_{Built with ❤️ for neuroscience research}