【摘要】：在腦科學研究中,神經(jīng)元鋒電位信號的檢測和分類是神經(jīng)信息編解碼研究的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的用于采集分析鋒電位信號的商用采集處理設(shè)備體積龐大,價格昂貴,并且通常為有線傳輸方式,導線連接增加了對自由運動小動物的外部干擾,影響小動物神經(jīng)信號在指定實驗條件下的放電特性。因此,本文基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一套針對自由運動大鼠的神經(jīng)元鋒電位信號無線采集及在線分類的實驗系統(tǒng),并利用仿真模擬信號和實驗動物的真實鋒電位信號對系統(tǒng)的在線檢測與分類功能分別進行了測試和驗證。本文所實現(xiàn)的系統(tǒng)主要由前端鋒電位信號采集檢測裝置和后端基于PC平臺的鋒電位在線分類上位機組成。前端采集檢測裝置以微控制器為核心,通過SPI接口配置前端采集芯片,控制其采集,之后在微控制器上完成自適應檢測閾值更新、鋒電位的閾值檢測等預處理;之后,通過無線射頻模塊,實現(xiàn)鋒電位波形數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。PC接收到數(shù)據(jù)之后,通過LabVIEW上位機結(jié)合MATLABscript運行鋒電位在線分類算法,對接收到的鋒電位數(shù)據(jù)進行實時在線的分類。驗證和測試實驗結(jié)果表明,本文提出的大鼠神經(jīng)信號無線采集及在線鋒電位分類系統(tǒng)可以完成預定設(shè)計的功能,在仿真實驗中,針對模擬信號發(fā)生器信號在線分類的準確率最高時可達100%;針對自由運動大鼠鋒電位信號,本系統(tǒng)與傳統(tǒng)PC離線分類系統(tǒng),針對對同一類神經(jīng)元分類結(jié)果的相似度,最高可達到93.9%,最低75.0%,說明無線系統(tǒng)的性能與商用的離線系統(tǒng)非常接近。但本無線系統(tǒng)在體積、便攜度(35mm×30mm×18mm,18g以下)以及系統(tǒng)功耗方面(3.7V、180mAh鋰電池供電,穩(wěn)定工作40分鐘以上)更具優(yōu)勢,能較好的滿足自由運動大鼠鋒電位分類等實驗需求。因此,本系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn),為后續(xù)嵌入式、小型化、無線神經(jīng)信號解析系統(tǒng)的研究打下了良好的基礎(chǔ)。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP311.52;R318
【圖文】：

腦－機接口技術(shù)（Ｂｒａｉｎ－ｍａｃｈｉｎｅ邋Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，邋ＢＭＩ）作為腦科學研究的一種逡逑手段，旨在區(qū)別于常規(guī)大腦輸出通道，搭建一條計算機或其他電子設(shè)備與大腦之逡逑間的溝通、控制橋梁［３］。腦－機接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖１．１所示。逡逑ｆ．ＭＣｉｆｃ邋卜邋ｆ邋只＇逡逑Ｉ邐邐．：：邐邋ｌ逡逑；邋：－ｖ；邐設(shè)逡逑控逡逑ｍ逡逑反ｗ逡逑圖１．１腦－機接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖逡逑系統(tǒng)主要由四個模塊組成，分別是信號采集、信息解析、外部設(shè)備控制和信逡逑息反饋四個部分。而在這四個模塊中，信號采集和解析是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，不同逡逑的信號來源和解析方式對應著不同的系統(tǒng)應用場景。在腦－機摟口系統(tǒng)中，依據(jù)信逡逑號來源的不同，腦－機接口系統(tǒng)分為非植入式和植入式兩種。其中，植入式腦－機接逡逑口中，鋒電位（Ｓｐｉｋｅ）信號是通過植入大腦皮層的微電極陣列記錄得到，許多研逡逑究利用這種信號實現(xiàn)了對外部設(shè)備等多自由度、精確的控制。逡逑１逡逑

Ｈｕｘｌｅｙ的研究揭示了動作電位產(chǎn)生的原理［７］：當神經(jīng)元細胞接收到的刺激夠大時，逡逑將造成去極化（Ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）使得胞內(nèi)電位將超過一個閾值（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）形成逡逑動作電位，接著再重新超極化（Ｒｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）回到靜息電位，整個過程如圖１．３逡逑所示，這些細胞外記錄到的電位變化與細胞內(nèi)的電位極性剛好相反，被稱為鋒電逡逑位，大小為動作電位的１／１０００？１／１００。由于鋒電位信號具有較高的時空分辨率，逡逑近年已有研究者利用植入式腦－機接口，實現(xiàn)動物運動的解碼及對外部設(shè)備的控制逡逑［８，９］逡逑0逡逑２逡逑

邐＿逡逑通常情況下，不同神經(jīng)元對應的鋒電位波形不同，因此可以根據(jù)檢測的鋒電逡逑位波形的差異來區(qū)分不同的神經(jīng)元。如圖１．４為根據(jù)神經(jīng)元鋒電位波形特征差異，逡逑對混合的鋒電位波形進行分類的過程，并且對每一類使用不同顏色進行標注。根逡逑據(jù)神經(jīng)元細胞的電發(fā)放與鋒電位之間的對應關(guān)系，可以統(tǒng)計出一定時間內(nèi)神經(jīng)元逡逑的發(fā)放次數(shù)，方便后續(xù)的神經(jīng)信號解析研究工作進行。逡逑３逡逑

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王兆祥;封洲燕;余穎;朱玉芳;郭哲杉;;適用于寬頻帶記錄信號的鋒電位檢測法[J];儀器儀表學報;2016年03期

2 羅靜;戴敏;;用于鋒電位分類的二階差分表示法[J];天津理工大學學報;2013年06期

3 封洲燕;王靜;汪洋;鄭曉靜;;神經(jīng)元鋒電位信號濾波頻率的選擇[J];浙江大學學報(工學版);2012年02期

4 牛意堅;劉濤;;基于窗口法的改進鋒電位檢測算法[J];計算機與數(shù)字工程;2012年02期

5 王靜;封洲燕;鄭曉靜;;低信噪比神經(jīng)元鋒電位檢測的新方法[J];浙江大學學報(工學版);2011年05期

6 祝曉平;王東;陳耀武;;基于提升小波的神經(jīng)元鋒電位并行檢測方法[J];華南理工大學學報(自然科學版);2011年10期

7 降惠;王琳娟;李杰;;徑向基函數(shù)網(wǎng)絡在神經(jīng)元鋒電位分類中的應用及改進[J];電腦開發(fā)與應用;2010年10期

8 萬紅;張超;劉新玉;尚志剛;;波形特征的高斯混合模型鋒電位分類算法[J];中國生物醫(yī)學工程學報;2016年04期

9 封洲燕;肖乾江;胡振華;;電刺激期間神經(jīng)細胞單元鋒電位的檢測[J];中國生物醫(yī)學工程學報;2013年04期

10 萬紅;郜麗賽;牛曉可;;基于匹配小波變換的初級視皮層神經(jīng)元鋒電位分類[J];鄭州大學學報(工學版);2011年03期

相關(guān)會議論文 前2條

1 馬越;蔡淑頻;;內(nèi)皮素對兩棲動物心肌電生理活動的影響[A];解剖學雜志——中國解剖學會2002年年會文摘匯編[C];2002年

2 張森泉;陳科;堯德中;;基于局部PCA的鋒電位甄別方法研究[A];中國生物醫(yī)學工程進展——2007中國生物醫(yī)學工程聯(lián)合學術(shù)年會論文集（上冊）[C];2007年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 王兆祥;軸突高頻電刺激對于神經(jīng)元活動的調(diào)控作用研究[D];浙江大學;2018年

2 丁偉東;神經(jīng)鋒電位信號識別方法研究[D];上海交通大學;2008年

3 祝曉平;植入式腦—機接口鋒電位實時處理算法研究[D];浙江大學;2012年

4 廖玉璽;植入式腦機接口神經(jīng)元鋒電位的時變特征分析與解碼研究[D];浙江大學;2014年

5 汪洋;大鼠海馬CA1區(qū)神經(jīng)活動對體感刺激響應的研究[D];浙江大學;2014年

6 李向?qū)?基于多微電極陣列的培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡特性初探[D];華中科技大學;2007年

7 胥凱;植入式腦機接口中神經(jīng)元重要性評估及鋒電位的高效解碼[D];浙江大學;2015年

8 王靜;多通道鋒電位信號分析的新方法及其在海馬神經(jīng)元發(fā)放特性研究中的應用[D];浙江大學;2011年

9 柳小勤;大壁虎嗅神經(jīng)信息的記錄與特征分析[D];南京航空航天大學;2009年

10 謝康寧;被動運動相關(guān)的海馬神經(jīng)信號解析與信息編碼模型研究[D];清華大學;2012年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 萬瑾;大鼠神經(jīng)信號無線采集及在線鋒電位分類系統(tǒng)實現(xiàn)[D];浙江大學;2018年

2 羅靜;疊加鋒電位的分類方法研究[D];天津理工大學;2014年

3 齊佳;鋒電位分類中疊加波形的檢測與識別[D];天津理工大學;2012年

4 李穎;基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的多電極陣列上培養(yǎng)神經(jīng)元鋒電位的分類[D];華中科技大學;2006年

5 朱玉芳;深部腦刺激期間神經(jīng)元鋒電位波形變化及其機制研究[D];浙江大學;2017年

6 劉曉春;基于鋒電位信號的腦機接口算法研究[D];浙江大學;2011年

7 宮艷紅;基于遺傳算法—支持向量機的鋒電位分類及神經(jīng)元特性分析[D];鄭州大學;2011年

8 陳白璐;基于寬頻帶記錄信號的神經(jīng)元鋒電位檢測分類新方法及其應用[D];浙江大學;2014年

9 郜麗賽;基于匹配小波變換的大鼠初級視皮層神經(jīng)元鋒電位分類[D];鄭州大學;2011年

10 楊彭舉;基于細胞外動作電位信號識別神經(jīng)元及其類型[D];浙江大學;2011年

本文編號：2771792