脑电神经信号采集与提取研究的背景与现状的论文

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1、脑电神经信号采集与提取研究的背景与现状的论文脑电神经信号采集与提取研究的背景与现状   作者:白秀军屠迪张红作者单位:1解放军电子工程学院物理教研室3440002湖南农业大学动物医学院410128  【关键词】脑电神经信号神经硅微电极  运用神经微电极进行电刺激的方法正被用于治疗小儿麻痹症、帕金森综合症、失明、耳聋、顽固性慢性疼痛和癫痫病等顽固性疾病,而医生也需要获得真实的神经信号为临床诊断提供依据。神经硅微电极的神经刺激与神经记录系统,基于dsp系统实现对信号的采集、处理和存储,并通过外围电路与dsp协同产生神经刺激信号。脑电神经信号采集与提取研究的最

2、终目标是将其运用到临床的诊断中,为医生诊断提供切实可靠的神经信号数据资料。  1.课题背景  20世纪40年代,随着技术和各种测量仪器的发展,科研人员能够从活体神经元中记录细胞内的电信号。通过用纤细的金属丝微电极和具有“箝位”配置的高增益的放大器,柯蒂斯和科尔记录了鱿鱼轴突内的电信号[1]。该实验方法和数学模型为霍奇森和贺胥黎成功阐释离子膜电流在运动电位产生中的作用奠定了基础[2]。他们的工作使神经元膜兴奋模型取代了早期伯恩斯坦的不同的钾离子膜渗透性模型[3],并为人们接受。霍奇森和贺胥黎由此获得了1963年的诺贝尔奖。更具意义的是,他们的模型预测了门控

3、膜离子通道的存在。  目前,神经元网络的研究引起了人们极大的兴趣;为了更好地理解中枢神经系统神经元之间复杂的相互关系,和为开发实用的神经假体提供所需的高度保真的知觉和控制信息,这就需要具备一种有选择且具有良好空间分辨率,能记录和控制神经组织行为的能力。.这对正确理解脑组织和感官知觉的过程十分重要。而这方面的发展,与微电极技术的发展息息相关。它要求微电极能够传输高质量和稳定的刺激信号,同时又能够长时间记录大量的神经束的电信息[4]。通过对神经系统的理解,更好地治疗与中枢神经系统有关的疾病变得更为切实可行。更好地理解神经图谱和对感知过程的理解,为感觉或运动受

4、损的患者设计假体装置,使其恢复正常的功能,变的更加容易。  医学的发展,为失去身体正常功能或感觉的患者提高了生活质量。尽管在医学领域,随着新的医学方法的不断发展,这些疾病得以治疗;但仍然有很多疾病,在医学上无法得到有效的治疗。比如帕金森综合症,一些患者通过药物能得到较为成功的治疗,但仍然有很多患者,无法通过药物治疗获得好的治疗结果。有很多与中枢神经系统有关的疾病,仍然没有获得一个满意的治疗方法,包括小儿麻痹症、帕金森综合症、失明、耳聋、顽固性慢性疼痛和癫痫病。尽管如此,电刺激的方法正被用于治疗这些疾病。这种治疗方法的发展,将提高很多人的生活质量。  按照

5、世界卫生组织的报告,全球大约有2亿5千万人有听力障碍[5],他们中的许多人通过义耳移植得到治疗,但有许多耳疾患者,比如患神经纤维瘤病患者,义耳移植对他们没有任何帮助。神经纤维瘤病是一种遗传病,在新生儿中发生的比例为1∶40000。这种病的特征是在两边的耳神经上有肿瘤,尽管通过外科手术可以根除,但通常会导致听力的完全丧失。目前,一些医学工作者通过在义耳核表面安装22个微电极去刺激神经。由于刺激电流仅作用在核的表面,结果没有通常义耳移植那样所期望的效果,但先进的穿刺电极可能会有更好的效果。  另外,世界卫生组织估计有1亿6千万的人有不同程度的视力障碍,其中有

6、4千到4千5百万人在没有帮助下,不能行走。有很多患者存在视力障碍,不是因为感觉神经缺陷,而是由于与年龄有关的疾病,比如白内障和视网膜色点。通过在视网膜上或下植入电极阵列,刺激神经节以治疗这些疾病,科研人员正在为此而付出极大努力[6~9]。  关于癫痫病和脊柱损伤疾病,通过电刺激方法获得治疗的例子不断得到报道[10,11]。总之,随着神经微电极的发展,将会极大提高人们的生活质量,降低医药消费。使用电子设备取代原有的组织,永远不可能获得原有肢体的感知或控制,尽管如此,它为那些先天就没有或由于偶然事故不再有自然能力的人(比如截肢等),提供了替代自然肢体的功能。

7、  2.技术现状  直到现在,金属微电极和玻璃微吸管技术仍在不断发展,神经生理学家仍然在使用这两种电极作为神经刺激和记录生物电位[12]。人们逐渐认识到,由于这两种电极内在的缺点,给更深入理解复杂的中枢神经系统的本质造成了巨大的障碍。生理学家获得单个神经元的电位是不够的,因为单个神经元不能解码整个神经信息。有时,信息是按照多个并行且携带信息的神经纤维的整体来解码的[13]。这两种电极的主要缺点是:它们是通过手工制造的,因此,其产量低而且价格也很高,更为重要的是这些传统的电极,由于其制造技术的缺陷,使其很难得到广泛的应用。首先,由于不能对其几何尺寸进行很好

8、的控制,这些电极的物理和电学特性的重复性差;其次,这种电极组装起来体积大,而且不

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1、脑电神经信号采集与提取研究的背景与现状的论文脑电神经信号采集与提取研究的背景与现状   作者:白秀军屠迪张红作者单位:1解放军电子工程学院物理教研室3440002湖南农业大学动物医学院410128  【关键词】脑电神经信号神经硅微电极  运用神经微电极进行电刺激的方法正被用于治疗小儿麻痹症、帕金森综合症、失明、耳聋、顽固性慢性疼痛和癫痫病等顽固性疾病,而医生也需要获得真实的神经信号为临床诊断提供依据。神经硅微电极的神经刺激与神经记录系统,基于dsp系统实现对信号的采集、处理和存储,并通过外围电路与dsp协同产生神经刺激信号。脑电神经信号采集与提取研究的最

2、终目标是将其运用到临床的诊断中,为医生诊断提供切实可靠的神经信号数据资料。  1.课题背景  20世纪40年代,随着技术和各种测量仪器的发展,科研人员能够从活体神经元中记录细胞内的电信号。通过用纤细的金属丝微电极和具有“箝位”配置的高增益的放大器,柯蒂斯和科尔记录了鱿鱼轴突内的电信号[1]。该实验方法和数学模型为霍奇森和贺胥黎成功阐释离子膜电流在运动电位产生中的作用奠定了基础[2]。他们的工作使神经元膜兴奋模型取代了早期伯恩斯坦的不同的钾离子膜渗透性模型[3],并为人们接受。霍奇森和贺胥黎由此获得了1963年的诺贝尔奖。更具意义的是,他们的模型预测了门控

3、膜离子通道的存在。  目前,神经元网络的研究引起了人们极大的兴趣;为了更好地理解中枢神经系统神经元之间复杂的相互关系,和为开发实用的神经假体提供所需的高度保真的知觉和控制信息,这就需要具备一种有选择且具有良好空间分辨率,能记录和控制神经组织行为的能力。.这对正确理解脑组织和感官知觉的过程十分重要。而这方面的发展,与微电极技术的发展息息相关。它要求微电极能够传输高质量和稳定的刺激信号,同时又能够长时间记录大量的神经束的电信息[4]。通过对神经系统的理解,更好地治疗与中枢神经系统有关的疾病变得更为切实可行。更好地理解神经图谱和对感知过程的理解,为感觉或运动受

4、损的患者设计假体装置,使其恢复正常的功能,变的更加容易。  医学的发展,为失去身体正常功能或感觉的患者提高了生活质量。尽管在医学领域,随着新的医学方法的不断发展,这些疾病得以治疗;但仍然有很多疾病,在医学上无法得到有效的治疗。比如帕金森综合症,一些患者通过药物能得到较为成功的治疗,但仍然有很多患者,无法通过药物治疗获得好的治疗结果。有很多与中枢神经系统有关的疾病,仍然没有获得一个满意的治疗方法,包括小儿麻痹症、帕金森综合症、失明、耳聋、顽固性慢性疼痛和癫痫病。尽管如此,电刺激的方法正被用于治疗这些疾病。这种治疗方法的发展,将提高很多人的生活质量。  按照

5、世界卫生组织的报告,全球大约有2亿5千万人有听力障碍[5],他们中的许多人通过义耳移植得到治疗,但有许多耳疾患者,比如患神经纤维瘤病患者,义耳移植对他们没有任何帮助。神经纤维瘤病是一种遗传病,在新生儿中发生的比例为1∶40000。这种病的特征是在两边的耳神经上有肿瘤,尽管通过外科手术可以根除,但通常会导致听力的完全丧失。目前,一些医学工作者通过在义耳核表面安装22个微电极去刺激神经。由于刺激电流仅作用在核的表面,结果没有通常义耳移植那样所期望的效果,但先进的穿刺电极可能会有更好的效果。  另外,世界卫生组织估计有1亿6千万的人有不同程度的视力障碍,其中有

6、4千到4千5百万人在没有帮助下,不能行走。有很多患者存在视力障碍,不是因为感觉神经缺陷,而是由于与年龄有关的疾病,比如白内障和视网膜色点。通过在视网膜上或下植入电极阵列,刺激神经节以治疗这些疾病,科研人员正在为此而付出极大努力[6~9]。  关于癫痫病和脊柱损伤疾病,通过电刺激方法获得治疗的例子不断得到报道[10,11]。总之,随着神经微电极的发展,将会极大提高人们的生活质量,降低医药消费。使用电子设备取代原有的组织,永远不可能获得原有肢体的感知或控制,尽管如此,它为那些先天就没有或由于偶然事故不再有自然能力的人(比如截肢等),提供了替代自然肢体的功能。

7、  2.技术现状  直到现在,金属微电极和玻璃微吸管技术仍在不断发展,神经生理学家仍然在使用这两种电极作为神经刺激和记录生物电位[12]。人们逐渐认识到,由于这两种电极内在的缺点,给更深入理解复杂的中枢神经系统的本质造成了巨大的障碍。生理学家获得单个神经元的电位是不够的,因为单个神经元不能解码整个神经信息。有时,信息是按照多个并行且携带信息的神经纤维的整体来解码的[13]。这两种电极的主要缺点是:它们是通过手工制造的,因此,其产量低而且价格也很高,更为重要的是这些传统的电极,由于其制造技术的缺陷,使其很难得到广泛的应用。首先,由于不能对其几何尺寸进行很好

8、的控制,这些电极的物理和电学特性的重复性差;其次,这种电极组装起来体积大,而且不

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