利用微波对脑活动的探测研究

摘要

近几年，随着欧美发布了具有战略意义的“脑计划”，脑科学的研究热潮正在全球兴起。目前国内外基于微波的大脑神经活动检测研究才初见报道，本文对利用微波来探测脑活动做了相关研究。首先分析了大脑神经活动的生理学过程及兴奋区的时变媒质特性，阐述了运用微波检测大脑神经活动的原理。借助仿真软件和模拟模型研究了时变兴奋区的电磁响应关系。针对老鼠大脑神经活动微波检测实验，进行了仿真分析、实验及信号处理。最后，设计了一款应用于人脑神经活动探测的超宽带天线，仿真研究了电磁能量在头颅内的传输特性及电场分布，并进行了加工测试。
　　论文的主要内容及工作成果如下：
　　1．基于大脑神经活动中的离子运动特征，分析了大脑神经活动的时变媒质特性。采用多层无限大平板模型推导了均匀平面波与大脑电磁响应过程中的相位变化关系，阐述了微波传输法用于大脑神经活动的检测机理。针对生物组织的电磁特性，对生物组织的色散特性以及电磁波在有耗媒质中的传播理论进行了研究，为后期大脑神经活动检测试验与方案设计做理论铺垫。
　　2．借助模拟仿真模型，对微波脑活动探测中微波工作频率、电场分布、微波比吸收率及时变兴奋区的电磁响应特性进行了仿真研究，结果显示随着微波频率升高，脑功能区的电场强度减小，但在大脑皮层仍然存在较强的电场。对脑内SAR分析表明实验功率下的微波检测实验满足安全性规定；建立时变兴奋区模拟模型，研究了电磁波与时变媒质的电磁响应关系，结果表明电磁波穿过介电常数时变兴奋区时，散射波能够携带出兴奋区的频域变化信息。
　　3．老鼠大脑神经活动的检测。仿真分析老鼠头颅内的电场分布和动态兴奋区的电磁响应关系。对昏睡状态下的老鼠大脑活动进行检测，利用微波和EEG来对比检测老鼠睡眠波，并取得了预期的结果。对检测信号进行功率谱分析，结果显示微波可以检测出大脑的活动信息，但对检测信息的准确认知仍有待未来进一步的研究。
　　4．应用于大脑神经活动探测的天线设计与测试。大脑神经活动探测天线的工作环境为人体头部组织，设计了一款直接与头部有耗组织匹配的超宽带天线，仿真研究电磁波在头颅内的传输特性及电场分布，并对天线进行了加工测试。结果显示该天线与头部组织匹配良好，能有效减弱入射波在空气与头皮边界面的反射，使更多的能量透入大脑内，满足微波检测大脑活动的需要。但基于微波对大脑神经信号探测的头部共形天线阵列还有待后期做进一步的研究。

目录

第一章 绪论

§1.1 研究背景及意义

§1.2 国内外研究现状

§1.3 本文的工作及结构安排

第二章 微波探测大脑神经活动原理

§2.1 人脑结构及脑电信号特征

§2.2 大脑神经活动的时变特性分析

§2.3 基于微波传输法的探测原理

§2.4 生物组织的电磁特性

§2.5 本章小结

第三章 大脑的电磁仿真分析

§3.1 电磁参数的获取

§3.2 电磁波与大脑的交互作用分析

§3.3 动态兴奋区的仿真研究

§3.4 本章小结

第四章 老鼠大脑神经活动的检测

§4.1老鼠大脑活动的仿真分析

§4.2昏睡下的老鼠神经活动检测

§4.3神经活动微波检测信号功率谱分析

§4.4本章小结

第五章 脑活动检测中超宽带介质匹配天线研究

§5.1超宽带介质匹配天线

§5.2天线在人头模型中的性能分析

§5.3超宽带介质匹配天线测试

§5.4本章小结

第六章 总结与展望

§ 6.1 本文的主要工作

§ 6.2 后续工作及展望

参考文献

致谢

作者在攻读研究生期间主要成果