本文關(guān)鍵詞：電流定向技術(shù)的視皮層神經(jīng)電刺激裝置研究

  更多相關(guān)文章： 神經(jīng)功能修復(fù) 神經(jīng)電刺激 微控制器 電流定向

【摘要】：視皮層視覺(jué)假體旨在通過(guò)電刺激誘發(fā)視盲患者“光幻視”而修復(fù)其視覺(jué)功能。光幻視的分辨率直接影響視覺(jué)功能重建的質(zhì)量。探索利用有限的電極來(lái)提高電刺激的高分辨率是視皮層視覺(jué)假體需要突破的難題之一。虛擬通道(Virtual Channel),又名電流定向(Current Steering),提供了這種可能性,通過(guò)在相鄰兩電極上同步施加刺激電流脈沖以實(shí)現(xiàn)選擇性地激活兩電極間特定位置上的神經(jīng)區(qū)域,以達(dá)到增加有效刺激通道數(shù)目的效果。因此,基于電流定向原理的視皮層神經(jīng)電刺激器是視皮層視覺(jué)假體的重要組成部分。本論文通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外電流定向技術(shù)與神經(jīng)電刺激技術(shù)研究現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一套基于電流定向技術(shù)的視皮層神經(jīng)電刺激器方案。該系統(tǒng)采用MSP430F149作為主控芯片,通過(guò)配置刺激波形發(fā)生模塊、幅度調(diào)節(jié)電路模塊、極性轉(zhuǎn)換電路、壓控恒流源電路模塊等外圍電路,利用串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信完成整了個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。在系統(tǒng)硬件電路中,電源電路供電給各模塊,MSP430F149控制著刺激波形發(fā)生模塊、串口通信模塊及由可編程數(shù)字電位器構(gòu)成的幅度調(diào)節(jié)電路,而壓控恒流源電路和極性轉(zhuǎn)化電路負(fù)責(zé)將刺激波形發(fā)生模塊輸出的單相電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為雙相電流信號(hào),串口通信電路用于實(shí)現(xiàn)MSP430F149單片機(jī)與上位機(jī)之間的通信。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由下位機(jī)程序設(shè)計(jì)與上位機(jī)程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分組成。下位機(jī)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě),開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR EW430,實(shí)現(xiàn)的主要功能有:生成電流定向系數(shù)、頻率、脈寬可調(diào)的刺激波形、生成控制幅度調(diào)節(jié)電路的強(qiáng)度調(diào)節(jié)程序及用于控制串口通信電路實(shí)現(xiàn)通信的串口通信程序。系統(tǒng)利用VB軟件設(shè)計(jì)了用于控制刺激器的上位機(jī),上位機(jī)界面包含電流定向系數(shù)、刺激頻率、脈寬和強(qiáng)度等參數(shù)設(shè)置。經(jīng)測(cè)試,該系統(tǒng)能輸出滿(mǎn)足要求的電壓波形,且輸出的電流脈沖信號(hào)在一定的負(fù)載范圍內(nèi)具有較好的電壓/電流轉(zhuǎn)換線性和恒流特性。同時(shí)采用該電流定向視皮層神經(jīng)電刺激器開(kāi)展了SD大鼠驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),在SD大鼠的視皮層植入兩刺激電極和多通道記錄電極,對(duì)記錄到的視皮層神經(jīng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,結(jié)果表明視皮層神經(jīng)響應(yīng)受到電流定向神經(jīng)電刺激器的調(diào)控,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的電流定向神經(jīng)電刺激器的有效性。
【關(guān)鍵詞】：神經(jīng)功能修復(fù) 神經(jīng)電刺激 微控制器 電流定向
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TH786
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 緒論9-17
• 1.1 引言9
• 1.2 背景9-10
• 1.3 電流定向技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-13
• 1.4 神經(jīng)電刺激器研究現(xiàn)狀13-14
• 1.5 本文研究目標(biāo)和主要內(nèi)容14-17
• 2 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)概述17-23
• 2.1 神經(jīng)電生理17
• 2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)17-20
• 2.2.1 刺激脈沖設(shè)計(jì)17-19
• 2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求19
• 2.2.3 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)及功能19-20
• 2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析20-21
• 2.3.1 硬件設(shè)計(jì)需求分析20
• 2.3.2 軟件設(shè)計(jì)需求分析20-21
• 2.4 本章小結(jié)21-23
• 3 主要功能模塊硬件設(shè)計(jì)23-45
• 3.1 微控制器23-26
• 3.1.1 芯片的選型23-25
• 3.1.2MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)25-26
• 3.1.3 控制管腳分配26
• 3.2 電源管理模塊26-31
• 3.2.1 電源需求及實(shí)現(xiàn)26-27
• 3.2.2㧏5V隔離電源設(shè)計(jì)27
• 3.2.3㧏3.3V電源設(shè)計(jì)27-28
• 3.2.4 +2.5V電源設(shè)計(jì)28
• 3.2.5 ±15V電源設(shè)計(jì)28-31
• 3.3 刺激波形生成模塊31-35
• 3.3.1 芯片DAC7625介紹31-33
• 3.3.2 DAC7625工作原理33
• 3.3.3 DAC7625電路設(shè)計(jì)33-35
• 3.4 幅度調(diào)節(jié)電路35-37
• 3.4.1 可編程數(shù)字電位器CAT5113的介紹35-36
• 3.4.2 幅度調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)36-37
• 3.5 壓控恒流源電路及極性轉(zhuǎn)化電路37-40
• 3.5.1 恒流特性介紹37
• 3.5.2 雙運(yùn)放壓控恒流源理論分析和電路設(shè)計(jì)37-39
• 3.5.3 極性轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)39-40
• 3.6 通信模塊電路40-42
• 3.6.1 串口選擇及串口電平轉(zhuǎn)化40-41
• 3.6.2 RS232串口的電路設(shè)計(jì)41-42
• 3.7 PCB板的設(shè)計(jì)42-44
• 3.8 本章小結(jié)44-45
• 4 電流定向刺激器系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)45-57
• 4.1 下位機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境和編程語(yǔ)言45-46
• 4.2 主控程序設(shè)計(jì)46-47
• 4.3 初始化程序設(shè)計(jì)47-48
• 4.3.1 I/O端口設(shè)置47-48
• 4.3.2 定時(shí)器初始化程序設(shè)計(jì)48
• 4.4 刺激波形生成程序設(shè)計(jì)48-50
• 4.5 可編程數(shù)字電位器CAT5113程序設(shè)計(jì)50-51
• 4.6 串口通信模塊軟件設(shè)計(jì)51-52
• 4.7 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)52-56
• 4.7.1 VB及控件MSComm的介紹52-53
• 4.7.2 界面設(shè)計(jì)53-54
• 4.7.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)54
• 4.7.4 通信程序的設(shè)計(jì)54-56
• 4.8 本章小結(jié)56-57
• 5 電流定向電刺激器的整體調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證57-71
• 5.1 硬件電路的調(diào)試及初步測(cè)試結(jié)果57-62
• 5.1.1 電路裝調(diào)57-58
• 5.1.2 電路電氣檢查58
• 5.1.3 雙運(yùn)放壓控恒流源測(cè)試實(shí)驗(yàn)及結(jié)果58-59
• 5.1.4 波形顯示結(jié)果及分析59-62
• 5.2 初步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證62-69
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)方法62-64
• 5.2.2 手術(shù)過(guò)程64-65
• 5.2.3 電刺激與記錄范式65-66
• 5.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析66-69
• 5.3 本章小結(jié)69-71
• 6 總結(jié)與展望71-73
• 6.1 論文工作總結(jié)71-72
• 6.2 未來(lái)工作展望72-73
• 致謝73-75
• 參考文獻(xiàn)75-79
• 附錄79
• A. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的專(zhuān)利目錄：79

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本文編號(hào)：664024