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基于闭环控制的神经电刺激器设计

作　者: 陈丹
导　师: 封洲燕
学　校: 浙江大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 电刺激 LabVIEW 闭环控制预测 θ节律癫痫
分类号: R742.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

电刺激在神经系统基础研究以及癫痫等大脑疾病治疗过程中都得到越来越广泛的应用,但是,能够基于大脑的电活动状态发出刺激信号的闭环式电刺激器产品却不多。因此,本文设计的闭环式刺激器对于各种电刺激实验和临床治疗仪器的开发具有重要的意义。本文利用美国国家仪器公司生产的数据采集卡和普通PC机的声卡,基于LabVIEW开发环境,针对大鼠脑部海马区场电位信号的特性,设计了一种闭环控制的电刺激器,主要设计工作包括如下3个部分：(1)设计场电位信号的θ节律检测及相位预测方法,能够根据需要,使电刺激发生于θ节律的波峰或者波谷。(2)设计癫痫棘波的检测方法,能够按照预先的设置,在痫样波出现后的不同延迟时间上发出电刺激,可用于大脑深部电刺激治疗癫痫的实验研究。(3)设计基于普通PC机声卡的简易癫痫脑电信号监测器,并具有声音提示功能,有利于相关仪器功能的家用普及。本文的主要研究结果如下：(1)所设计的电刺激器能够根据需要输出脉冲波、正弦波、三角波和锯齿波等刺激波形,并能设置脉宽、刺激间隔、刺激个数等；最小脉宽可以达到50μs,能够满足大脑神经系统电刺激实验的要求。(2)大鼠海马脑区场电位信号的检测结果表明,该电刺激器预测θ节律波峰位置和波谷位置的平均误差分别为波形周期的10%和15%左右,两者的预测正确率都在92%以上。(3)癫痫信号识别实验的结果表明,癫痫棘波检测的正确率都能达到99%,能较好的区别正常脑电信号,并不受50 Hz工频噪声的干扰。(4)PC机声卡频率响应特性的测试结果表明,声卡的频响能够满足癫痫脑电的监测要求,其检测准确率可达到97%以上。总之,本文开发的闭环式电刺激器,能够自动预测脑电信号中的θ波等节律的相位,检测癫痫棘波；并根据用户的设置,在所需时刻发出各种波形的电刺激,为大脑神经系统工作机理和电刺激作用机制的深入研究提供了有用的工具。同时,本文利用PC机声卡实现的简易癫痫棘波监测器,检测准确率较高,可以用于家庭远程医疗等领域。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 研究目的及意义  10-11
  1.2 神经电刺激器的研究进展  11-12
  1.3 脑电信号分析方法  12-14
  1.4 本文的研究内容  14
  1.5 本文的创新点  14-16
第2章方法与材料  16-29
  2.1 海马结构及其信号特征  16-19
    2.1.1 海马解剖结构及功能  16-17
    2.1.2 海马区的神经电信号  17-19
  2.2 脑电(θ)波相位预测方法  19-22
    2.2.1 数字滤波  19-22
    2.2.2 双阈值法判断θ波  22
  2.3 癫痫棘波识别方法  22-24
    2.3.1 Hjorth系数  22-23
    2.3.2 Coastline参数  23-24
  2.4 采集卡的基本结构  24-25
    2.4.1 NI USB-6251采集卡  24-25
    2.4.2 PC机声卡  25
  2.5 电刺激方式及基本参数  25-27
    2.5.1 实验研究  26
    2.5.2 癫痫治疗研究  26-27
  2.6 LABVIEW软件及其编程语言  27-29
    2.6.1 LabVIEW软件  27-28
    2.6.2 LabVIEW的编程语言  28-29
第3章系统的实现  29-37
  3.1 闭环式电刺激器的基本结构  29-32
    3.1.1 硬件组成  29-30
    3.1.2 软件流程  30-32
  3.2 (θ)节律的预测  32-34
  3.3 癫痫棘波的识别  34
  3.4 基于声卡的癫痫信号监测系统  34-36
    3.4.1 硬件结构  35
    3.4.2 软件设计  35-36
  3.5 本章小结  36-37
第4章测试结果  37-49
  4.1 采集卡USB-6251的控制性能  37
  4.2 (θ)节律的预测性能测试  37-41
    4.2.1 动物实验  38
    4.2.2 刺激器程序界面及功能  38-39
    4.2.3 刺激器预测性能测试  39-41
  4.3 癫痫棘波的识别性能  41-44
    4.3.1 大鼠脑电信号采集  41-42
    4.3.2 刺激器程序界面及功能  42
    4.3.3 刺激器识别结果  42-44
  4.4 基于声卡的简易癫痫棘波监测系统  44-48
    4.4.1 程序界面及功能  44-45
    4.4.2 声卡测试  45-47
    4.4.3 监测系统性能测试  47-48
  4.5 本章小结  48-49
第5章讨论  49-52
  5.1 具有神经电信号节律波相位预测功能的刺激器  49-50
  5.2 具有癫痫棘波监测功能的刺激器  50
  5.3 基于声卡的癫痫脑电监测系统  50-52
第6章总结与展望  52-53
参考文献  53-58
致谢  58-59
作者简历  59-60
作者攻读硕士期间发表的论文  60

基于闭环控制的神经电刺激器设计

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