电流定向技术的视皮层神经电刺激装置研究
发布时间：2017-08-12 22:33
本文关键词：电流定向技术的视皮层神经电刺激装置研究
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【摘要】：视皮层视觉假体旨在通过电刺激诱发视盲患者“光幻视”而修复其视觉功能。光幻视的分辨率直接影响视觉功能重建的质量。探索利用有限的电极来提高电刺激的高分辨率是视皮层视觉假体需要突破的难题之一。虚拟通道(Virtual Channel),又名电流定向(Current Steering),提供了这种可能性,通过在相邻两电极上同步施加刺激电流脉冲以实现选择性地激活两电极间特定位置上的神经区域,以达到增加有效刺激通道数目的效果。因此,基于电流定向原理的视皮层神经电刺激器是视皮层视觉假体的重要组成部分。本论文通过梳理国内外电流定向技术与神经电刺激技术研究现状,设计了一套基于电流定向技术的视皮层神经电刺激器方案。该系统采用MSP430F149作为主控芯片,通过配置刺激波形发生模块、幅度调节电路模块、极性转换电路、压控恒流源电路模块等外围电路,利用串口实现与上位机之间的通信完成整了个系统的设计。该系统分为硬件电路设计和软件设计两个部分。在系统硬件电路中,电源电路供电给各模块,MSP430F149控制着刺激波形发生模块、串口通信模块及由可编程数字电位器构成的幅度调节电路,而压控恒流源电路和极性转化电路负责将刺激波形发生模块输出的单相电压信号转化为双相电流信号,串口通信电路用于实现MSP430F149单片机与上位机之间的通信。系统软件设计由下位机程序设计与上位机程序设计两个部分组成。下位机程序采用C语言编写,开发环境为IAR EW430,实现的主要功能有:生成电流定向系数、频率、脉宽可调的刺激波形、生成控制幅度调节电路的强度调节程序及用于控制串口通信电路实现通信的串口通信程序。系统利用VB软件设计了用于控制刺激器的上位机,上位机界面包含电流定向系数、刺激频率、脉宽和强度等参数设置。经测试,该系统能输出满足要求的电压波形,且输出的电流脉冲信号在一定的负载范围内具有较好的电压/电流转换线性和恒流特性。同时采用该电流定向视皮层神经电刺激器开展了SD大鼠验证实验,在SD大鼠的视皮层植入两刺激电极和多通道记录电极,对记录到的视皮层神经响应数据进行处理分析,结果表明视皮层神经响应受到电流定向神经电刺激器的调控,验证了所设计的电流定向神经电刺激器的有效性。
【关键词】：神经功能修复 神经电刺激 微控制器 电流定向
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH786
【目录】：
- 中文摘要3-4
- 英文摘要4-9
- 1 绪论9-17
- 1.1 引言9
- 1.2 背景9-10
- 1.3 电流定向技术的国内外研究现状10-13
- 1.4 神经电刺激器研究现状13-14
- 1.5 本文研究目标和主要内容14-17
- 2 系统方案总体设计概述17-23
- 2.1 神经电生理17
- 2.2 系统总体设计17-20
- 2.2.1 刺激脉冲设计17-19
- 2.2.2 系统设计要求19
- 2.2.3 系统各模块设计及功能19-20
- 2.3 系统设计需求分析20-21
- 2.3.1 硬件设计需求分析20
- 2.3.2 软件设计需求分析20-21
- 2.4 本章小结21-23
- 3 主要功能模块硬件设计23-45
- 3.1 微控制器23-26
- 3.1.1 芯片的选型23-25
- 3.1.2MSP430F149单片机最小系统25-26
- 3.1.3 控制管脚分配26
- 3.2 电源管理模块26-31
- 3.2.1 电源需求及实现26-27
- 3.2.2㧏5V隔离电源设计27
- 3.2.3㧏3.3V电源设计27-28
- 3.2.4 +2.5V电源设计28
- 3.2.5 ±15V电源设计28-31
- 3.3 刺激波形生成模块31-35
- 3.3.1 芯片DAC7625介绍31-33
- 3.3.2 DAC7625工作原理33
- 3.3.3 DAC7625电路设计33-35
- 3.4 幅度调节电路35-37
- 3.4.1 可编程数字电位器CAT5113的介绍35-36
- 3.4.2 幅度调节电路设计36-37
- 3.5 压控恒流源电路及极性转化电路37-40
- 3.5.1 恒流特性介绍37
- 3.5.2 双运放压控恒流源理论分析和电路设计37-39
- 3.5.3 极性转化电路设计39-40
- 3.6 通信模块电路40-42
- 3.6.1 串口选择及串口电平转化40-41
- 3.6.2 RS232串口的电路设计41-42
- 3.7 PCB板的设计42-44
- 3.8 本章小结44-45
- 4 电流定向刺激器系统的系统软件设计及实现45-57
- 4.1 下位机系统开发环境和编程语言45-46
- 4.2 主控程序设计46-47
- 4.3 初始化程序设计47-48
- 4.3.1 I/O端口设置47-48
- 4.3.2 定时器初始化程序设计48
- 4.4 刺激波形生成程序设计48-50
- 4.5 可编程数字电位器CAT5113程序设计50-51
- 4.6 串口通信模块软件设计51-52
- 4.7 上位机软件设计52-56
- 4.7.1 VB及控件MSComm的介绍52-53
- 4.7.2 界面设计53-54
- 4.7.3 通信协议设计54
- 4.7.4 通信程序的设计54-56
- 4.8 本章小结56-57
- 5 电流定向电刺激器的整体调试和实验验证57-71
- 5.1 硬件电路的调试及初步测试结果57-62
- 5.1.1 电路装调57-58
- 5.1.2 电路电气检查58
- 5.1.3 双运放压控恒流源测试实验及结果58-59
- 5.1.4 波形显示结果及分析59-62
- 5.2 初步动物实验验证62-69
- 5.2.1 实验方法62-64
- 5.2.2 手术过程64-65
- 5.2.3 电刺激与记录范式65-66
- 5.2.4 实验结果及分析66-69
- 5.3 本章小结69-71
- 6 总结与展望71-73
- 6.1 论文工作总结71-72
- 6.2 未来工作展望72-73
- 致谢73-75
- 参考文献75-79
- 附录79
- A. 作者在攻读学位期间发表的专利目录：79
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本文编号：664024
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