在体脑电的特征提

发布时间：2020-05-06 09:44

【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。
【图文】：

系统框图,神经电生理,脑电,分析控制

要分为三个阶段，前期的噪声滤除、中期的特征提取以及后期的模式分类。其具体方法在文章第二章具体阐述。图1.1 神经电生理信号-计算机采集分析控制系统框图((a)大脑(b)电极(c)脑电采集、分析、处理设备(d)多通道脑电信号(e)由脑电控制的机械臂)在体神经电生理测试的优点是能够获得完整的信号模式，但是信号样本量受个体限制而存在不足，且由于实验单个个体本身生理状态不同，会造成个体差异，且研究的目标区域在生物个体中会受到其他区域的影响，对特定区域进行研究会有偏差; 而离体的优点是在体外条件下可培养，样本量大，缺点是神经元的种类和培养密度的稳定性和密度等等比较受制于电极，所以保证离体电极上的神经元稳定培养和特征参数提取非常关键，因此进行离体神经元电生理测试前，需要引入离体电极上的生物膜贴附实验和主参数分析模型，说明离体神经元的可靠和稳定培养模型，，才能用于进一步离体神经元电生理信号的测试。因此，与在体电生理测试相对应

仪器接口,测试实验,阅读模式,过程

定的200组作为每种阅读模式下的实验数据。为保证实验结果的特征量可比性，不同被试者的实验数据进行归一化处理，再进行同一阅读模式下的多组采集及归类分析。实验过程及仪器接口等如图2.1所示。图2.1 (a)戴电极帽的测试实验过程（b）PowerLab仪器接口及装置
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318;TN911.7

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