诱发脑电电刺激系统及其信号处理算法的研究
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1ms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。
脑电图;体感诱发电位;恒流电刺激;独立分量分析;数字信号处理;FPGA控制
广东工业大学
硕士
控制理论与控制工程
杜玉晓
2011
中文
R741.044;TN911.72
78
2011-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）