低强度经颅超声刺激系统研制及神经元响应数据分析

发布时间：2020-05-30 21:12

【摘要】：神经系统疾病作为一种功能性疾病,严重威胁着人类健康,且目前仍未发现有效的治疗方法。诸如经颅磁刺激及经颅电刺激等无创神经调控技术均存在刺激深度不足以及空间分辨率低的缺点。超声刺激作为一种新型的无创神经调控技术,其具有足够的刺激深度和良好的空间分辨率。但目前尚没有同时具备多参数发射脉冲可调及串口控制的超声刺激系统。为了克服该缺陷,该文研制了一种便携式参数可调的低强度经颅超声刺激系统,并通过神经元响应数据分析验证了系统的可行性。首先,研制了低强度经颅超声刺激系统,以此为核心,搭建了超声生物刺激平台并对其性能参数进行了分析测试。超声刺激系统硬件电路以FPGA为控制核心,包含激励脉冲可调的发射模块电路以及FPGA逻辑控制电路模块。发射模块包括MOS管驱动器、反激式开关电源电路模块、功率放大模块。FPGA逻辑控制模块包括系统的供电模块、时钟模块以及FPGA芯片。软件设计主要包括FPGA逻辑软件以及上位机通信软件设计。FPGA逻辑软件主要负责实现超声刺激系统激励脉冲参数的调节,FPGA通过规定的通信协议与上位机通信,在PC端显示所要监测的信息,并且可以通过该协议来完成FPGA对控制发射超声信号参数的调整。超声生物刺激平台性能指标分析及测试包括超声刺激信号分辨率的理论计算、超声刺激信号的聚焦测试以及超声刺激声强的测量计算。其次,获取了低强度经颅超声刺激神经元兴奋性响应数据,并对其进行了统计分析,验证了超声波控制机械敏感离子通道打开与闭合的机理。设计了一种基于低强度超声的离体脑组织刺激方法,以超声刺激前后神经元的场电位以及胞内钙离子浓度变化作为经颅超声刺激对神经元兴奋性的观测指标,揭示了经颅超声对神经元兴奋性的作用机制问题。最后,获取了低强度经颅超声刺激神经元生长发育的数据,并对其进行了统计分析,验证了超声波控制胞内钙离子浓度变化的机理。设计了一种基于低强度超声的原代神经元刺激方法,以刺激前后神经元胞体面积、突起长度、存活率及突起个数作为观测指标,揭示了低强度经颅超声刺激影响神经元生长发育的可能性。
【图文】：

第 2 章 低强度经颅超声刺激系统研制度经颅超声刺激系统的研制主要有硬件设计及软件设计。其中，超声刺激系便是硬件电路设计部分，硬件电路也是超声刺激系统功能能否实现的基础。影响所研制系统的各项参数以及性能。基于硬件电路的完成进行软件设计，犹如系统的灵魂，能够更稳定的发挥系统硬件电路的功能。本章主要设计各硬件电路，并通过分析各个模块进行软件设计。统硬件设计与实现电路的设计，包括系统发射硬件电路模块及 FPGA 逻辑控制电路模块，整图如图 2-1 所示。发射模块主要由反激式开关电源电路模块、MOS 管驱动率放大模块三部分构成。FPGA 逻辑控制电路模块包括系统的供电和时钟PGA 模块、串口控制模块。升压模块发射模块控制电压FPGA芯片串口控制、触发波形、

脉冲周期个数和脉冲电压幅度可调，因此提高了超声换能器的触发效率，超声发射模块实物图2-2 所示。首先，超声刺激系统需要能够发射出高压激励脉冲信号来作用于超声换能器，通过超声换能器转换为超声波信号。为实现超声刺激系统发射模块的功能，便需要设计一个输出电压稳定可调且性能稳定性良好的升压电路。PCMOS管驱动器升压模块高压脉冲激励电路高压激励脉冲发射模块控制电压激励脉冲信号FPGA芯片FPGA配置接口串口控制、触发波形、触发电压接口全局时钟接口CH340串口转USB
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN791;TN911.7;TH789

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本文编号：2688727