诱发脑电电刺激系统及其信号处理算法的研究

发布时间：2017-03-11 19:54

  本文关键词：脑电信号处理算法及其便携式系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

《广东工业大学》 2011年

诱发脑电电刺激系统及其信号处理算法的研究

彭杰  

【摘要】：诱发脑电是指人为的对感觉器官施加光、声、电刺激所引起的相应脑电位变化。诱发脑电的分析是研究脑功能、脑认知活动的重要手段。体感诱发恒流电刺激器的研究和应用对提高自主创新能力和提高国产生物电检测医疗设备水平具有显著的促进作用,对于脑和神经科学研究、临床诊断以及康复医学具有重要的意义。目前国内应用于诱发脑电采集的体感诱发恒流电刺激器具有功耗大、抗工频干扰能力弱、精度不高、功能单一等缺点,刺激器的安全性成为设计恒流电刺激器一个难点。本文针对体感诱发电位恒流刺激器的高精度和高安全性,设计了基于FPGA控制的高性能体感恒流电刺激器,并采用现代数字信号处理方法ICA方法对体感诱发电位进行特征提取。论文研究内容如下： 1.本文根据诱发脑电信号采集系统中的恒流电刺激器的设计要求和相关指标,进行硬件电路设计。在刺激器工作过程中,无论刺激脉冲的宽度失控还是电流强度失控,都能灼伤皮肤,对此,设计了能够将时间限制在毫秒级的脉宽限制电路,能够有效地将刺激脉宽限制在lms以内；针对恒流刺激器的低功耗和高精度性,采用FPGA作为控制器和12位高精度数模转换芯片相结合,能够有效控制多种刺激模式的逻辑时序,提高了刺激器的控制精度和性能要求；为了保证人身安全,刺激脉冲输出电流必须采用浮地技术,在隔离变压后的升压电路中,采用的二极管-电容倍压升压原理设计升压电路,这种设计使得刺激电路不会有长时间的恒电流通过人体,保证了人体不会被强电流电击,另外在安全性方面,还设计了掉电保护、漏电保护、过流保护等安全性保护电路。最后针对刺激器进行了线性度和拉电流两种性能测试,测试结果表明各项指标都符合最初设计要求。 2.对体感诱发脑电信号的分析软件作了详细介绍,设计了体感诱发刺激界面,并对诱发脑电信号的常规提取方法-相干叠加平均法和现代数字信号处理方法-独立分量分析法进行了概述,采用ICA算法对诱发电位进行特征提取,能克服了传统的常规处理方法带来的引起患者神经系统的疲劳产生适应性而导致的误差,提取到了正确的体感诱发电位波形图,并将其与应用相干叠加平均法采集到的体感诱发电位波形图进行比较,提取的结果表明ICA方法算法适中,处理速度快,对诱发电位的单次提取效果更加明显。 通过采用FPGA作为控制器来设计体感恒流刺激器,并在硬件电路的设计中充分考虑安全性和高精度性,打破了常规医疗器械功能单一,安全性差等特性,提高了恒流刺激器的整体性能,并将ICA应用于诱发电位单次特征提取,取得了良好的效果。

【关键词】：
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN911.7
【目录】：

摘要4-6

Abstract6-8

目录8-11

Contents11-14

第一章 绪论14-22

1.1 研究背景及意义14-15

1.2 脑电信号概述15-17

1.3 诱发脑电信号国内外研究现状17-21

1.3.1 诱发电位电刺激器的国内外研究现状17-19

1.3.2 诱发电位信号处理算法研究现状19-21

1.4 本论文研究的主要内容21-22

第二章 诱发电位采集系统概述22-33

2.1 诱发电位22-26

2.1.1 诱发电位定义22-23

2.1.2 诱发电位特性23-24

2.1.3 诱发电位分类24-26

2.2 诱发脑电采集系统26-30

2.2.1 诱发脑电采集的原理架构27-28

2.2.2 诱发脑电刺激器28-29

2.2.3 脑电信号采集系统29-30

2.3 电刺激的体感诱发电位刺激系统整体设计30-32

2.3.1 刺激系统硬件设计30-31

2.3.3 软件设计31-32

2.4 本章小结32-33

第三章 体感诱发脑电电刺激器硬件设计33-57

3.1 刺激器设计要求33-34

3.2 FPGA嵌入式最小系统34-37

3.2.1 FPGA最小系统电路34-36

3.2.2 FPGA最小系统电源电路36-37

3.3 RS232串行通信接口37-38

3.4 倍压整流电路38-41

3.4.1 具体设计39-40

3.4.2 电路仿真分析40-41

3.5 刺激器恒流刺激部分41-51

3.5.1 恒流源基准电路41-42

3.5.2 脉宽限制电路42-43

3.5.3 数模转换电路43-46

3.5.4 电路仿真结果46-51

3.6 手动调节电流强度51-55

3.6.1 线性光耦合器件选择51-52

3.6.2 线性隔离电压转换电路52-54

3.6.3 电路仿真分析54-55

3.7 电流刺激器线性能测试55-56

3.7.1 线性度测试55

3.7.2 拉电流测试55-56

3.8 本章小结56-57

第四章 体感诱发脑电信号的分析软件57-71

4.1 脑电波分析软件57-59

4.1.1 软件的结构设计57-58

4.1.2 脑电波分析软件概要设计58-59

4.2 体感诱发电位的特征提取59-64

4.2.1 相干叠加平均法59-60

4.2.2 独立分量分析基础理论60-64

4.3 独立分量分析在诱发电位提取中的应用64-70

4.3.1 FastICA算法64-67

4.3.2 基于FastICA算法的诱发电位提取67-69

4.3.3 实验结果分析69-70

4.4 本章小结70-71

结论与展望71-73

参考文献73-77

攻读硕士学位期间发表论文77-79

致谢79

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【参考文献】

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本文编号：250651