大鼠EEG-NIRS信号采集处理系统设计

摘要

近红外光谱技术(Near Infrared Spectroscopy，NIRS)作为近几十年刚崭露头角的脑功能监测新颖手段，为人类揭开大脑奥秘以及检测大脑疾病提供了可行的、有效的新方法。它采用对人体无害的近红外光，通过测量大脑内部组织中脱氧血红蛋白、氧合血红蛋白和总血红蛋白的浓度变化，经过特定的算法显示在参数变化上，实验者通过分析变化的参数来判断大脑特定的功能状态。发展较成熟的脑电图(Electroencephalography，EEG)无论在科研领域还是医疗辅助监测设备都得到广泛应用。　　随着医疗手段日新月异，一些新型药物也被研发出来，在不确定治疗效果时无法直接在人体上验证，这时就需要在实验动物上做验证实验。老鼠跟人类在生理学上相似度是极高的，因此在老鼠上验证是比较合适的。但针对老鼠脑监测的设备远不如用于人类的完善，也大多不精确，老鼠头部的有限面积也导致技术相对单一。因此本文研发了一种基于STM32的嵌入式系统和基于MATLAB GUI的上位机软件的整套实验监测设备，用于监测大脑生理活动状态，具体工作内容如下：　　首先，在数据处理方面，对EEG信号的低通、高通、工频陷波处理分别进行了讨论分析，并做了仿真图谱，确定了最适合EEG实时监测的数字滤波方法；对NIRS信号根据的朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，经过修改后推导出了计算氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化的公式算法。然后，本文对EEG、NIRS信号采集部分的硬件电路设计做了详细介绍。硬件电路是以STM32F103系列芯片为核心元件，整体电路包括电源电路、EEG信号放大滤波电路、发光LED驱动电路、NIRS信号光电转换电路、A/D采集电路、蓝牙通讯电路、电极设计电路、前端探头装置的设计，对各部分电路进行了详细的讲解，并对实现发光LED驱动、A/D采集及读取、数据打包、数据发送程序的设计进行了逐步的讲解。接下来对基于MATLAB GUI平台设计的软件进行了介绍，功能模块主要包括蓝牙通信参数设置、通信协议、接收数据及处理、存储、标记、显示、放大等模块的设计。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 EEG信号特征

1.3 近红外信号特征

1.4 EEG和NIRS的国内外发展现状

1.5 论文主要研究内容

第2章 EEG和NIRS信号处理

2.1 EEG滤波方法

2.2 血氧浓度计算

2.3 本章小结

第3章 系统硬件电路设计

3.1 硬件电路设计的重要性

3.2 系统整体设计方案

3.3 控制器与蓝牙通讯电路

3.4 电源电路设计

3.5 前端及A/D转换电路

3.6 硬件设计实现

3.7 本章小结

第4章 控制程序及上位机软件设计

4.1 整机软件设计

4.2 控制器程序设计

4.3 上位机软件设计

4.4 软件实现

4.5 本章小结

第5章 系统测试

5.1 EEG采集效果测试

5.2 NIRS采集效果测试

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢