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经硬脑膜的视皮层神经活动的检测与分析

作　者: 石卫卫
导　师: 侯文生
学　校: 重庆大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 硬脑膜视皮层信号检测信号分析电刺激器
分类号: R318.0
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 8次
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内容摘要

视觉系统是人体中结构和功能最为复杂的感觉器官,它对于人类获取外界信息以及认知世界都非常重要。视觉功能障碍会给患者带来极大地痛苦,也给社会造成沉重负担。然而,全世界有4000-5000万人饱受失明的痛苦,并且数目仍在增长,因此视觉修复工作的开展对于人类以及社会都具有重要的意义和价值。要研制硬脑膜上的皮层视觉假体,实现在视皮层外的有效刺激,首先应该了解视觉信号刺激的皮层神经兴奋在硬脑膜上的表达模式,以指导视皮层外电刺激信号编码的设计。为了探测视皮层神经活动,进而为皮层视觉假体的研究提供实验依据,本文基于柔性微电极阵列并利用多通道生理信号采集系统搭建了经硬脑膜记录视皮层神经活动的动物实验平台,并记录了视觉刺激下猫及藏酋猴的视皮层神经活动信号。为提取视皮层神经活动信号的特征信息并对经硬脑膜的皮层视觉假体的临床效果进行合理的评价,本文采用时频域经典的分析方法对信号进行了相应的处理及时域、频域以及空域分配模式上的分析,其中时域上采用的方法主要包括叠加平均技术、无延迟滤波以及提取时域最值及其潜伏期的特征信息,频域上主要进行了频谱分析。对硬脑膜上VEP的分析结果显示:(1)视觉刺激频率较低时经硬脑膜上记录的的视皮层神经活动信号与典型的VEP信号具有相似的波形特征;(2)视觉刺激频率较高(16Hz、20Hz、24Hz)时,经频谱分析所得幅度谱上会在相应的刺激频率处出现明显的波峰;(3)对于同一视觉刺激下,视皮层不同区域对应的微电极点所记录到的VEP之间存在差异;对于不同视野的视觉刺激,视皮层神经的兴奋模式也是不同的;(4)视觉刺激的时间以及空间分辨率会影响硬脑膜上记录到的视觉诱发电位P波振幅以及潜伏期。另外,为了后续开展经硬脑膜对视皮层进行电刺激的实验究,本文利用FPGA系统以及外围双向电流转换电路,设计并开发了输出64通道双向电流脉冲的电刺激信号发生装置,其中FPGA系统完成了电压脉冲信号的产生以及输出通道的选择,外围电路实现的是将单向电压脉冲转化为双向电流脉冲。通过软件仿真以及硬件测试所得结果可知,该系统实现了输出64通道双向电流刺激脉冲的功能,并且它占用FPGA资源较少,且刺激通道数显著增加。本文基于柔性微电极阵列并通过多通道生理信号采集系统构建了经硬脑膜记录视皮层神经活动的实验平台,这为视觉假体的研制提供了基础;在硬脑膜上成功地记录到视觉诱发电位,并探测到视皮层对于不同视野区域的视觉刺激有不同的兴奋模式,这为视皮层电刺激信号编码设计提供了实验依据;同时也证明了在硬脑膜上记录大脑皮层电活动是一项创伤性小、可靠性高而且时空分辨率较高的神经电生理技术,这为检测视皮层以及其他皮层神经活动提供了一种更优的技术手段。另外,本文设计的64通道的电刺激信号发生器功能强大、输出稳定,对于人工视觉假体的研究具有重要意义和实用价值。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-14
    1.2.1 视皮层人工假体  11-13
    1.2.2 无创的神经活动记录方法  13
    1.2.3 有创的神经活动记录方法  13
    1.2.4 微创的神经活动记录方法  13-14
  1.3 研究目的及内容  14-17
    1.3.1 研究目的  14
    1.3.2 研究内容  14-17
2 视觉假体系统及神经电兴奋模式的检测  17-27
  2.1 视觉通路解剖基础  17-19
  2.2 视觉假体  19-21
  2.3 视皮层神经活动的检测方法  21-27
    2.3.1 VEP技术检测视皮层神经活动  21-23
    2.3.2 MEG 检测视皮层神经活动  23-25
    2.3.3 fMRI技术检测视皮层神经活动  25-27
3 硬脑膜上视觉诱发电位记录的实验设计  27-35
  3.1 微电极阵列  27-30
  3.2 视觉刺激图形及其设计  30-32
  3.3 同步信号记录  32-33
  3.4 多通道生理信号记录系统  33-35
4 硬脑膜上VEP信号的实验记录及分析  35-57
  4.1 利用2×2阵列电极检测猫硬脑膜上VEP  35-45
    4.1.1 实验设计  35
    4.1.2 实验过程  35-36
    4.1.3 数据处理  36-37
    4.1.4 实验结果  37-42
    4.1.5 分析与讨论  42-45
  4.2 利用3×3阵列电极检测猫硬脑膜上VEP  45-52
    4.2.1 实验方法  45-46
    4.2.2 数据处理  46
    4.2.3 实验结果  46-50
    4.2.4 分析与结论  50-52
  4.3 藏酋猴硬脑膜上VEP的检测与分析  52-54
    4.3.1 实验设计  52
    4.3.2 实验过程  52-53
    4.3.3 数据处理结果  53-54
    4.3.4 分析与讨论  54
  4.4 本章小结  54-57
5 经硬脑膜多通道电刺激器的设计  57-69
  5.1 FPGA 硬件开发平台介绍  57-59
  5.2 FPGA软件开发与设计  59-61
  5.3 外围电压/电流转换电路  61-65
  5.4 系统测试  65-69
6 总结与展望  69-71
  6.1 本文总结  69-70
  6.2 不足与展望  70-71
致谢  71-73
参考文献  73-77
附录  77
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  77
  B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目  77

经硬脑膜的视皮层神经活动的检测与分析

内容摘要

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