在体脑电的特征提取、噪声分析及对应离体生物膜电阻抗测试平台的优化

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1、硕士学位论文题目:在体脑电的特征提取、噪声分析及对应离体生物膜电阻抗测试平台的优化研究生梅婉欣专业仪器科学与技术指导教师徐莹副教授完成日期2018年3月杭州电子科技大学硕士学位论文在体脑电的特征提取、噪声分析及对应离体生物膜电阻抗测试平台的优化研究生：梅婉欣指导老师：徐莹副教授2018年3月DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterIn-vivoEEGsignalextraction,noiseanalysisand

2、theoptimizationtothein-vitrobiomembraneelectricalimpedancetestingplatformCandidate:MeiWanxinSupervisor:A/Prof.XuYingMarch，2018杭州电子科技大学硕士学位论文摘要人体神经电生理信号，指的是个体或离体器官、组织、细胞等的电活动。在实际操作中，可利用电极、膜片钳等装置来进行该类信号的记录或测定，用以对个体或部分功能、机理的研究等。在实验室研究中利用神经电生理技术通过研究在体电信号等研究人体某

3、部分在整体结构中发挥的作用与功能，通过对特定区域的离体组织、细胞电生理信号进行测量并研究该区域功能与结构。在体脑电信号是通过接触电极从大脑头皮或大脑皮层获得大脑在特定模式下的电活动信号，用于研究大脑在整个个体中发挥的作用；为了研究部分区域的特定功能，会以脑片、脑细胞群或单个神经元细胞作为研究对象。在体脑电信号采集是利用电极从大脑获得脑电信号在计算机中进行相应的信号处理，转化为与信号内容一致的响应，这种响应包括机械臂的操作、光标在显示屏上的移动等。而在与在体研究对应的离体电生理信号的研究中，通常利用离体电极对

4、离体神经元细胞、组织的电信号进行采集，对其电化学参数进行分析，研究其部分功能与生理活动状态，并进行相应的比对和分析。本文针对在体脑电信号，利用脑电信号采集设备对实验者在阅读不同材料（平静闭目、阅读英语、阅读诗歌、阅读现代文四种阅读模式）时的头皮脑电信号进行无创采样，使用希尔伯特-黄变换及支持向量机训练，分辨平静闭目和其他三种不同阅读模式，并针对经验模态分解时出现的常见情况——端点飞翼现象进行算法优化处理并比较其处理效果。脑电的来源有在体和离体两种。在基于大数据的在体脑电分析模型确定之前，需要依赖于特定神经元

5、群或者脑切片等离体电生理测试的特征点位数据采集及分析过程。离体电生理测试信号的优点在于这种实验方式脱离了生物个体，以组织或细胞为单位进行实验，体外可培养、易于扩增细胞、组织数量，样本量大可采集数据齐全，但是其最大问题是电极和脑切片或者神经元之间的接触受制于电极的材料、特性、表面处理方式等。所以，在离体电生理的研究中，首先需要评估离体电极与生物膜接触的定量化模型。因此，本文对离体脑电信号采集的重要媒介——电极，利用电化学方法中的循环伏安法、计时电流法、交流阻抗法进行了裸金电极的电化学实验，并评估了电极的三种对

6、应的特性。然后，针对电极在进行信号测量时电极与生物膜之间的有效贴附面积进行了研究，通过模拟电极与生物膜的贴附状态，进行了电化学阻抗实验并依据电极在测量系统中的作用建立等效电路，并依据等效模型进行了阻抗参数拟合，构建了阻抗参数为输入向量，以电极半径为输出量的支持向量回归模型，定量研究了电极与生物膜之间的贴附面积，用以评估电极与生物膜之间的贴附效果。最后，为了定性评估真实细胞膜与电极之间的贴附状态，在NC膜上培养神经细胞，利用不同面积的电极与其构成细胞-NC膜-电极结构，进行了电化学阻抗实验，分析比较了不同面积

7、的电极对应的电化学阻抗图之间的关系。该方法最后的结果验证了模拟电极-神经细胞贴附杭州电子科技大学硕士学位论文实验的有效性以及使用电化学方法研究离体脑细胞、组织用以体外研究的可能性，为在体脑电研究的后期离体定点对应模型提供了定量化参数的分析基础。关键词：神经电生理信号，脑电分析，HHT变换，支持向量机/回归，电化学阻抗法，生物膜杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTTheelectrophysiologicalsignalofhumannerve,referstotheelectricalactivit

8、yofanindividualoranisolatedorgans,tissues,cellsandothers.Inpractice,electrodes,patchclampsandotherdevicescanbeusedtorecordormeasuresuchsignalsfortheresearchoffunctionandmechanism.Inthelaboratoryresearchandcli