便携式经颅超声刺激系统设计与研究

发布时间：2017-09-04 22:28

  本文关键词：便携式经颅超声刺激系统设计与研究

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【摘要】：经颅超声刺激(Transcranial Ultrasound Stimulation,TUS)技术是新近发展起来的一种大脑功能刺激技术,该技术中,超声能量透过完整的颅骨传递到脑神经组织进行刺激,能无创地调制大脑的神经活动。与传统的脑刺激技术如经颅磁刺激、经颅直流电刺激相比,经颅超声刺激具有空间分辨率高、无损伤性、高穿透性的优点,并且它与功能性磁共振成像技术兼容性良好,为TUS的精确定位和神经生理研究提供了良好的条件。作为一种新兴的脑刺激技术,经颅超声刺激对于神经的调节已被证实具有兴奋与抑制两种效果,而且研究结果表明,神经组织的激发和抑制都不会损伤经颅超声刺激的组织。可以预见,利用超声刺激,医学领域中很多令人头痛的神经疾病的治疗将会迎来新的突破口。虽然越来越多的科学家研究经颅超声刺激,但是目前,该类研究还处于基础实验阶段,除了少数实验应用在人脑上,大部分实验目前应用在动物身上,科学家们搭建实验平台,将超声作用于动物大脑并通过后期分析动物脑电(Electroencephalography,EEG)、肌电(Electromyography,EMG)等生物电信号来研究经颅超声刺激对脑神经的影响。目前市场上的低强度超声治疗设备功能单一、参数固定、不能满足实验研究和临床治疗中多参数可调节的要求,所以为了实现各个的参数调节,专门用于动物实验的经颅超声刺激系统都是通过搭建实验平台实现的,该平台包括函数发生器、功率放大器、示波器等设备,实验平台设备体积庞大、成本高并且不具有便携性。为克服已有技术的上述不足和缺陷,并为经颅超声刺激技术的研究提供一整套专门的实验设备,从而分析经颅超声刺激技术对于脑疾病的治疗的作用。本课题设计了一套便携式经颅超声刺激系统,该系统包括超声换能器激励电路和超声回波接收电路,超声换能器激励电路能够激励不同中心频率的超声换能器,使其发射超声波,此电路可调参数包括:电压峰峰值VP-P、基波频率F、脉冲重复频率PRF和脉冲占空比D。同时,超声回波接收电路接收超声回波信号,经过信号调理电路、A/D转换电路、信号处理电路将数字信号传入上位机,上位机能够对滤波器中心频率F0和压控放大器增益G进行调节并对超声回波信号进行显示。这样能时刻确保超声信号的准确发送,以提高实验的可靠性。设计基于VC++的上位机界面,用户可以根据实际需要快捷地设置相应参数,并且观察接收到的回波信号。该系统结构简单、稳定可靠、成本低且具备较好的产业化价值。
【关键词】：经颅超声刺激 超声换能器 激励信号 回波显示
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-15
• 1.1 课题背景及研究目的和意义11-12
• 1.2 经颅超声刺激技术发展过程及研究现状12-13
• 1.3 经颅超声刺激技术作用机理13
• 1.4 本文主要研究内容13-15
• 第2章 经颅超声刺激技术基础15-21
• 2.1 脉冲超声信号15-17
• 2.1.1 脉冲超声信号波形15
• 2.1.2 脉冲超声信号参数15-16
• 2.1.3 超声能量的衰减16-17
• 2.2 经颅超声刺激装置17
• 2.3 超声换能器17-19
• 2.4 超声换能器激励信号19-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第3章 系统硬件电路设计21-43
• 3.1 系统整体方案21-23
• 3.1.1 整体框架图21-22
• 3.1.2 超声发射模块框架图22
• 3.1.3 回波接收模块框架图22-23
• 3.1.4 供电模块框架图23
• 3.2 超声发射模块电路设计23-31
• 3.2.1 微控制器芯片选择24
• 3.2.2 微控制器与上位机通信24-25
• 3.2.3 升压模块设计25-27
• 3.2.4 功率放大模块设计27-31
• 3.3 超声回波信号调理电路设计31-36
• 3.3.1 压控放大电路31-33
• 3.3.2 有源带通滤波电路33-36
• 3.4 信号处理电路设计36-41
• 3.4.1 A/D转换电路36-38
• 3.4.2 FPGA信号处理模块38-39
• 3.4.3 USB传输模块39-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第4章 系统软件设计与实现43-55
• 4.1 STM32程序设计43-48
• 4.1.1 控制程序整体设计43-44
• 4.1.2 定时器配置44-46
• 4.1.3 电压峰峰值VP-P控制46-47
• 4.1.4 基波频率F控制47
• 4.1.5 脉冲重复频率PRF和脉冲占空比D控制47-48
• 4.2 FPGA程序设计48-52
• 4.2.1 二阶有源带通滤波选择48-49
• 4.2.2 增益G控制49-51
• 4.2.3 数据采集程序设计51-52
• 4.3 USB固件程序52-53
• 4.4 本章小结53-55
• 第5章 上位机程序设计55-63
• 5.1 驱动程序设计55
• 5.2 上位机开发环境55-56
• 5.3 控制界面设计56-58
• 5.4 波形显示界面设计58-62
• 5.5 本章小结62-63
• 结论63-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果69-71
• 致谢71

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