上海论文网提供MBA论文选题服务,专业提供硕士毕业论文服务。
导航 当前位置:上海论文网 > 计算机论文 > 正文
穿戴式多通道脑电记录结合神经刺激系统的研发和实践
  • 论文价格:150
  • 用途:硕士毕业论文 Master Thesis
  • 编辑:若诗
  • 点击次数:
  • 论文字数:54311
  • 论文编号:el2021052415491422189
  • 日期:2021-05-29
  • 来源:上海论文网
本文是计算机论文,完成了一种基于多通道EEG采集与多通道电刺激的神经记录刺激系统,实现的功能如下:1)实现了八通道脑电信号采集功能,八个通道独立可控,采样率为250SPS到16kSPS可调,同时还具有高输入阻抗、高共模抑制比等特点。2)实现了两个通道的经颅电刺激功能,两个通道独立可编程,刺激频率1-20kHz,调节精度为1Hz,刺激电流最大为4.8mA,调节精度为0.1mA,相位可调,同时还具有低噪声、电荷平衡等特点。此外,系统通过低功耗控制技术,降低了系统的功耗,提高了系统的续航能力;实现了电池的板上充电以及电量测量功能,方便了用户的操作;在硬件上通过加入无线通信模块,实现了硬件与上位机的无线数据通信,增加了系统操作的灵活性。同时,通过高度集成化的技术,将所有的芯片集成在一个小的电路板上,实现了系统的可穿戴性。在系统的研发过程中,出现了许多始料未及的问题,因此在研发过程中耗费了大量时间,经历了多次改版后,实现了系统的基本功能。提出了多通道脑电记录结合神经刺激技术,使用该技术融合多通道脑电记录以及神经刺激,为未来高效的个性化、闭环神经调控打下坚实的基础。

......

 

第1章引言

 

为了弥补现有神经调控技术的不足,为临床和科研人员在解析大脑神经环路、治疗大脑神经性疾病方面提供新的、高效以及实用的技术,本文主要提出了基于数字频率合成的无创深脑刺激技术以及多通道脑电记录结合神经刺激技术,设计并实现了基于多通道EEG采集与多通道电刺激的神经记录刺激系统。该系统主要完成的功能主要有两个:(1)实现宽频带、高采样率、低噪声、高共模抑制比的多通道EEG采集;(2)实现高精度、多功能、低噪声的多通道电刺激功能。系统的硬件部分以嵌入式微控制器为核心,结合前置放大与模数转化器、信号发生器等功能模块,实现EEG的采集以及电刺激功能。此外,通过自主编写的PC上位机软件,实现对硬件系统的通信,当上位机发出脑电采集控制指令时,硬件通过无线数据传输方式接收指令,并对其进行解码,然后开始脑电采集相关操作,并将采集的数据传输到PC上进行处理和显示;当上位机发出电刺激指令时,硬件接收指令,然后开启电刺激等相关操作。因此,按照系统的实现流程,本文的研究内容主要新技术提出、总体方案设计、硬件设计、软件设计以及系统测试与分析。

.....

 

第2章神经记录刺激及系统方案设计

 

2.1脑电信号相关知识
在采集脑电信号时,由于脑电信号较弱,是微伏级信号,脑电信号常常会被环境或者其他生物电干扰,因此在设计脑电采集系统时,需要考虑放大能力、抗干扰能力以及分辨率。对于脑电采集系统比较重要的性能指标有灵敏度、频率特性、输入阻抗、共模抑制比、增益等。仪器的灵敏度指输出变化量与输入变化量的比值。对于线性仪器,灵敏度为常数。仪器的灵敏度越高,一方面可以脑电信号更加准确,有利于测量,另一方面也增加了噪声的产生,系统的稳定性就会减弱,因此在实际采集脑电信号时,需要选择合适的仪器灵敏度,不仅要保证脑电信号的准确,也要保证低噪声。仪器的频率特性是指正弦信号的输出幅值和相位与输入频率之间的关系。当输入信号幅值恒定不变时,输出信号的幅值与输入的信号频率之间的关系曲线称之为幅频特性曲线;输出信号的相位与输入信号频率的关系曲线称之为相频特性曲线。脑电信号采集系统中主要看的是幅频特性曲线,在曲线中判定脑电信号是否处于脑电信号仪器的通频带内,从而保证可以采集到准确的脑电信号。仪器的输入阻抗是指从输入端测得的系统自身阻抗。

 

2.2基于经颅电刺激方式的神经调控相关知识
大脑是由成千亿个神经元组成,神经元与神经元之间组成一个庞大的网络,称为神经网络,而神经网络之间的信息传递是通过神经元的膜电位发放完成,因此神经活动的本质是电活动。经颅电刺激(tES)是将微弱的电流通过紧贴头皮的电极作用于大脑皮层,从而达到调控神经活动的目的。经颅电刺激的不仅可以应用到神经精神类疾病的临床应用,例如抑郁症、治疗帕金森、精神分裂症等,而且可以应用于健康人群,改善皮层的兴奋性,提高相关的脑认知功能。因此,脑电采集系统需要较高的输入阻抗,通常大于5MΩ,才能采集准确的脑电信号。输入阻抗越高,从信号源输入的电流越小,易于前级相连。并且生物体信号源具有高内阻,若脑电采集系统输入阻抗不够高,系统的增益不稳定,测量脑电信号的误差大。为了弥补当前神经调控技术的不足,本文提出了:1)基于数字频率合成的无创深脑刺激技术,使用该技术可以实现无创深脑刺激设备的微型化,扩展无创深脑刺激设备的使用范围
计算机论文范文
计算机论文范文

 

第3章系统硬件设计............................................................................27
3.1控制模块...........................................................................................................27
3.2脑电采集模块...................................................................................................28
3.3电刺激模块.......................................................................................................29
3.4无线通信模块...................................................................................................29
第4章系统软件设计............................................................................35
4.1嵌入式软件设计...............................................................................................35
4.2上位机软件设计...............................................................................................39
第5章系统测试与结果分析................................................................45
5.1性能测试...........................................................................................................45
5.2功能测试...........................................................................................................46

......

 

第5章系统测试与结果分析

 

5.1性能测试
由于本系统的脑电数据采集不是使用仪表放大器等元器件组合完成,而是使用目前TI公司为测量脑电、肌电等生理信号设计并生产的最新前端放大器,因此不需要对脑电信号采集部分的性能进行测试,包括共模抑制、输入阻抗等性能。在系统安全性方面,由于系统的实际实验中是使用350mAh的锂电池作为能量来源,在充电时不能使用本系统,且系统中的各个电源芯片具有电流限制作用,刺激的做大电压不超过人体安全电压,所以本系统在使用上十分安全的。因此本系统的性能主要是针对外观、功耗以及实现的精度进行测试。系统硬件实物图如图5.1所示,使用数显卡尺对硬件的长宽高进行,最后测量得到硬件长5.70cm,宽4cm,高0.4cm。本章首先使用实验室仪器对系统的尺寸外观、功耗以及实现的功能精度进行测试,然后通过真实人佩戴的方式进行脑电数据采集实验,验证了脑电数据采集功能,同时,先后通过纯电阻电路、水溶液环境、小鼠行为学以及小鼠生理信号实验对电刺激功能进行实验,实现了对电刺激功能的验证。
计算机论文怎么写
计算机论文怎么写

 

5.2功能测试
本系统的功能测试主要是集中在脑电采集实验测试以及电刺激实验测试,而一些附加功能测试如功耗控制、电池电量检测等功能,由于功能简单就不再介绍。电刺激的实验测试分步进行,电刺激实验的测试是通过上位机软件控制系统产生两个通道的经颅交流电,首先在纯电阻电路中进行波形测试,然后在恒定电阻抗盐水溶液中进行波形验证,然后在动物上进行实际功能测试,最后通过真实人脑MRI数据建立仿真模型系统,进行TI刺激仿真,为日后的真实人脑头模型的实验提供了基础。由于系统最终的作用对象是人,人的大脑比起小鼠要复杂很多,因此要实现精准的无创深部脑刺激之前,需要进行真实头模型的TI电场仿真。首先获取真实头模型MRI数据,对MRI数据进行预处理后,使用阈值分割方法将文件分割为不同的大脑组织,如皮肤、颅骨、脑脊液、灰质、白质、空气腔等,并以通用的医学文件形式(如nii或DICOM)进行保存。将分割后的医学文件使用3D处理软件构建为3D几何文件并进行优化、处理、有限元分割。最后,在有限元仿真环境下设定目标物理场并进行仿真、仿真数据处理及可视化,进而得到了基于MRI数据的真实头模型TI仿真结果,仿真结果如图5.8所示,为日后的真实人脑头模型的实验提供了基础。

....

 

第6章总结与展望

 

要想实现系统在科学研究领域、临床实验领域以及消费电子领域的使用,还有很长一段研发路要走,尤其是系统的稳定性、功耗控制、信号质量方面还需要进一步改善。经历了多次改版后,本文实现了基于多通道EEG采集与多通道电刺激的闭环神经调控系统的基本功能,在未来可以将该系统运用于科学研究领域、临床实验领域以及消费电子领域,用于解析神经环路、治疗大脑神经性疾病以及改善认知等方面,但是由于时间仓促,因此本系统还有待完善,主要集中在以下几点:1)降低系统功耗。虽然本系统在硬件上添加了系统功耗控制的功能,在一定程度上降低了系统的功耗,但是在硬件结构、芯片选择以及PCB走线上还可以进一步降低系统的功耗。2)提高系统稳定性。系统稳定性是系统广泛运用的前提,因此需要提高系统的稳定性,一方面包括无线数据传输的稳定性,可以通过增加可靠性传输的机制来提高无线数据传输的稳定性;另一方面包括电极的导联脱落检测,电极的导联情况是系统采集可靠脑电数据以及施加安全有效的电刺激的基础,电极导联脱落检测的原理实质是阻抗测量,因此需要在电路中加入阻抗测量功能。
参考文献(略)