无损测量人脑神经递质技术研究及其系统实现

摘要

21世纪进入了脑科学研究的时代。脑神经信息是经由神经元化学突触的神经电脉冲与神经化学递质的传递。无损检测脑神经电生理的技术主要是脑电测量；无损检测脑神经化学递质主要基于磁共振谱仪。鉴于磁共振谱仪技术复杂而且波谱窗口狭窄，为便于间接检测神经递质这类内源性化学物质，需要发展新的无损测量技术，以利于神经化学分析研究，进而推进脑科学的快速发展，满足安全防范和预防医学等领域的应用要求。 本文综合应用生物组织光学、中医耳穴理论、信号处理和模式识别理论与微系统集成技术，进行无损测量人脑神经递质技术研究：建立基于磁共振仪脑测谎的谎实比率模型，研究并利用近红外耳穴信号，指导提取该信号的小波特征与多重分形特征，重点检验两个特征应用于测谎的准确率，以此无损间接测量人脑额区颞区神经递质的整体内源作用；设计实现验证系统与微系统，设计相应的专用芯片。 论文首先概述人脑神经递质的特点，分析无损测量人脑神经电学、化学与结构的成像技术优缺点。通过分析脑神经血管耦合规律、近红外脑成像规律与耳穴诊疗理论，搭建了研究工作的基础。基于磁共振仪研究人脑测谎，旨在观察脑额区颞区的氧离血红蛋白的应激功能，建立谎实比率模型，为近红外耳穴信号特征建模的准确性研究提供证据。针对近红外额颞耳穴信号提取其超低频特征。根据脑神经递质的超慢振荡特性和神经血管耦合规律进行特征建模，具体选取反射脑额区和颞区的额颞耳穴，采集940 nm单波长的近红外透射光强信号，直接提取近红外光谱的小波超慢成份特征和多重分形特征，主要表征耳动脉血的氧合血红蛋白色基之于近红外光的吸收涨落，间接检测脑额区颢区神经递质的整体内源作用（即偏向兴奋或抑制）；为了研究特征模型的准确性，邀请志愿者参加测谎/抑郁/微笑实验。完成特征验证的微电子系统采用传感模块、嵌入式微处理器系统和FPGA连接数字ADC。 论文主要创新工作包括：（1）基于磁共振仪脑测谎建立了谎实比率模型（即说谎脑耗氧大于诚实脑耗氧）：（2）利用了近红外耳穴信号（即选取额颞耳穴处的940 nm近红外透射信号）；（3）基于近红外耳穴信号的小波超低频的几何特征得到了谎实互补比率规律，以小波超低频系数平方和所构建的能量特征支持了谎实比率模型：以小波能量特征来表征疲劳的钙诱导实验，结果支持神经递质的钙激活特性；小波超低频谱的多重分形特征适合于检测抑郁和微笑；（4）建立了两种验证系统（PC机系统和嵌入式系统），得到的测谎准确率下限是83％，处理过600组测谎原始数据；（5）以FPGA连接数字ADC（基于施密特非门振荡器，输出脉冲边沿陡直并且容易控制得到较低频率）实现了小波特征的验证微系统。最后，完成了基于SMIC0．18μm1P6M CMOS工艺的专用芯片设计，给出了主要性能参数。 本工作提取了近红外耳穴信号的新特征，建立了特征验证的系统与微系统，主要针对测谎应用，是为无损间接测量人脑额颞区神经递质做出了新的实验设计与系统实现，也为进一步加强对比测量实验和加速构建相关的SoC及系统应用奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 研究现状与最新进展

1.3 论文工作及其创新点

参考文献

第二章 近红外耳穴信息研究理论基础

2.1 脑神经血管耦合规律

2.1.1 建模方法概述

2.1.2 时频耦合规律

2.1.3 超慢频谱分析

2.2 近红外脑血氧成像基础

2.2.1 基本光学原理

2.2.2 连续波算法

2.2.3 NIRS谱图分析

2.3 耳穴反射诊疗理论基础

2.3.1 耳穴概念沿革

2.3.2 耳穴诊疗原理

2.3.3 耳穴信息特点

2.4.本章小结

参考文献

第三章 基于fMRI脑认知测谎建立谎实比率模型

3.1 fMRI脑测谎原理与方法

3.1.1 脑测谎原理

3.1.2 脑测谎方法

3.2 谎实比率模型建立与验证

3.2.1 模型建立

3.2.2 模型验证

3.3 fMRI脑测谎实验

3.3.1 预备实验

3.3.2 实验改进

3.4 fMRI脑测谎讨论

3.5 本章小结

参考文献

第四章 基于小波和多重分形两特征识别近红外耳穴信息

4.1 模式识别原理

4.2 两种新特征模型建立

4.3 小波特征测谎实验

4.3.1 测谎算法综述

4.3.2 测谎预备实验

4.3.3 测谎小波特征

4.3.4 小波特征讨论

4.4.小波多重分形特征测抑郁实验

4.4.1 抑郁测量

4.4.2 微笑测量

4.5 本章小结

参考文献

第五章 近红外耳穴信息识别系统实现及其ASIC设计

5.1 微机验证系统实现

5.1.1 数据采集硬件选择与设计

5.1.2 传感子系统设计指标寻优

5.1.3 数据处理软件设计

5.2 微处理器验证系统实现

5.2.1 硬件平台

5.2.2 软件设计

5.2.3 测谎实验数据分析

5.3 小波特征的FPGA验证系统实现与ASIC设计

5.3.1 系统设计指标

5.3.2 模块性能分析

5.3.3 系统仿真比较

5.3.4 测试数据分析

5.3.5 ASIC设计

5.4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

博士期间取得的成果

致谢