發(fā)布時間：2018-11-16 08:43

【摘要】：癱瘓肢體運動功能的重建是極具挑戰(zhàn)的醫(yī)學(xué)難題。利用電子系統(tǒng)替代受損神經(jīng)組織,重建運動神經(jīng)元通路,進(jìn)而重建運動功能的方法為該問題的解決提供了新的思路。該方法被稱為“微電子神經(jīng)橋”�；陧椖拷M前期在“微電子神經(jīng)橋”領(lǐng)域所做研究,本文主要涉及用于脊髓神經(jīng)損傷后功能重建的“微電子神經(jīng)橋”以及用于腦卒中后偏癱患者肢體運動功能重建的“微電子肌電橋”,研究內(nèi)容包括：1)神經(jīng)元胞外探測仿真信號的生成算法。仿真信號生成是進(jìn)行相關(guān)神經(jīng)信號處理算法的基礎(chǔ)。2)胞外探測中神經(jīng)元動作電位的檢測算法。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行動作電位識別的相關(guān)研究。動作電位的檢測與識別是“微電子神經(jīng)橋”進(jìn)行選擇性激勵的基礎(chǔ)。3)基于分立器件和集成電路,進(jìn)行了“微電子神經(jīng)橋”相關(guān)原型系統(tǒng)的設(shè)計,包括神經(jīng)信號探測電路、功能性電刺激電路、無線／有線神經(jīng)信號采集電路、功能電刺激信號生成電路、小型微電子神經(jīng)橋?qū)嶒炏�、快速原型算法驗證平臺,以及實時動作電位檢測與識別電路。4)基于分立器件和集成電路,進(jìn)行了“微電子肌電橋”相關(guān)原型系統(tǒng)的設(shè)計,包括雙通道微電子肌電橋原型系統(tǒng)以及用于手部運動功能重建的微電子肌電橋系統(tǒng)。其中,雙通道微電子肌電橋原型系統(tǒng)目前已經(jīng)通過相關(guān)檢測,處于臨床科學(xué)實驗階段。本文共分為7章,第1章緒論對造成肢體癱瘓的病因進(jìn)行分析,重點介紹脊髓損傷與腦卒中。之后對項目組前期的工作進(jìn)行了總結(jié)。第2章至第五章研究“微電子神經(jīng)橋”的相關(guān)電路與系統(tǒng)。其中,第2章介紹“微電子神經(jīng)橋”涉及的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ),綜述治療脊髓損傷的生物學(xué)方法,并介紹“微電子神經(jīng)橋”的原理。第3章介紹“微電子神經(jīng)橋”所采用的神經(jīng)信號探測與激勵方法,以及其系統(tǒng)設(shè)計與信號處理流程。第4章主要介紹“微電子神經(jīng)橋”訓(xùn)練階段的信號處理核心技術(shù)：動作電位檢測與識別。首先研究胞外探測仿真神經(jīng)信號的生成方法。對于動作電位檢測問題,首先從傳統(tǒng)的幅度閡值法開始研究,分析造成傳統(tǒng)幅度閾值法誤檢率高的原因。在此基礎(chǔ)上,提出基于幅度閾值與動態(tài)一階前向差分閾值的檢測算法。最終,結(jié)合時域特征篩選,使算法的平均靈敏度達(dá)到99.27%,平均特異度達(dá)到98.60%。對于動作電位的識別問題,首先研究基于時域信息、K-L變換和離散小波變換的三種特征提取方法。并通過基于正態(tài)性檢驗(Lilliefors檢驗)和概率密度函數(shù)估計(Parzen窗估計)的兩種特征提取方法,進(jìn)行特征屬性約減。通過可分性測度,確定以基于離散小波變換所獲得的特征作為識別依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,利用基于馬氏距離的K均值聚類算法,獲得高達(dá)99.29%的平均分類正確率。并初步研究利用自組織映射進(jìn)行類別數(shù)確定以及初始聚類中心選取的問題。第5章主要涉及與“微電子神經(jīng)橋”相關(guān)的原型系統(tǒng)設(shè)計。包括神經(jīng)信號探測電路、功能性電刺激電路、無線／有線神經(jīng)信號采集電路、任意波形生成電路和小型微電子神經(jīng)橋?qū)嶒炏�。重點介紹基于ARM CortexA8+TMS320C64x+MSP430F5336硬件構(gòu)架的快速原型系統(tǒng)實現(xiàn),并將其應(yīng)用于“微電子神經(jīng)橋”橋接階段的實時處理算法的快速驗證。利用三倍交叉驗證,橋接階段算法的平均靈敏度,特異度以及識別正確率分別達(dá)到99.43%,97.13%和92.58%。最終以Hercules安全微控制器為目標(biāo)硬件,實現(xiàn)了經(jīng)過快速原型平臺驗證的實時信號處理算法。第6章初步涉及用于腦卒中后偏癱運動功能重建的“微電子肌電橋”相關(guān)原理以及原型系統(tǒng)設(shè)計,包括雙通道微電子肌電橋原型系統(tǒng)以及用于手部運動功能重建的微電子肌電橋系統(tǒng)。涉及肌電信號探測電路設(shè)計,高壓、隔離、任意波形功能性電刺激電路設(shè)計,相關(guān)信號處理算法,虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設(shè)計以及應(yīng)用于臨床時安全性方面的考慮。文章的最后對全文進(jìn)行總結(jié),并提出需要進(jìn)一步解決的問題。本文所涉及的創(chuàng)新點：1)設(shè)計一種基于幅度與動態(tài)一階前向差分閾值的動作電位檢測新算法,利用加州理工大學(xué)提供的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行測試,該算法的平均靈敏度與特異度分別達(dá)到99.45%與97.21%。2)設(shè)計一種利用滑動窗口與極差判別以及中值估計的神經(jīng)信號背景噪聲估計算法。相比于Donoho與Johnstone等人所提出的算法,該算法在100Hz放電頻率下估計精度提高了3倍。3)設(shè)計兩種離散小波變換后的特征選擇方法：(1)利用Lilliefors檢驗以及層次化選擇的方法進(jìn)行特征系數(shù)選擇,(2)利用Parzen窗估計,即核密度估計的方法進(jìn)行特征系數(shù)選擇。在本文所用的可分性測度下,證明本文所提出的特征選擇方法優(yōu)于基于時域特征提取以及基于Karhunen-Loeve變換的特征提取方法。4)將自組織映射應(yīng)用于動態(tài)聚類的初始值確定以及類別數(shù)確定。5)基于Matlab R2013a以后版本所提供的板級支持包,設(shè)計了以Beagleboard-xm以及Simulink為核心的算法快速驗證平臺。實現(xiàn)了動作電位檢測與識別算法的快速原型設(shè)計�；谠撈脚_與相同的開發(fā)方法也可以應(yīng)用于其它相關(guān)實時信號處理領(lǐng)域,完成相關(guān)數(shù)字信號處理算法的快速建模與驗證,具有普適意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R496;TN911.7

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本文編號：2335050