無損測量人腦神經(jīng)遞質(zhì)技術(shù)研究及其系統(tǒng)實現(xiàn).pdf

1、21世紀進入了腦科學研究的時代。腦神經(jīng)信息是經(jīng)由神經(jīng)元化學突觸的神經(jīng)電脈沖與神經(jīng)化學遞質(zhì)的傳遞。無損檢測腦神經(jīng)電生理的技術(shù)主要是腦電測量；無損檢測腦神經(jīng)化學遞質(zhì)主要基于磁共振譜儀。鑒于磁共振譜儀技術(shù)復雜而且波譜窗口狹窄，為便于間接檢測神經(jīng)遞質(zhì)這類內(nèi)源性化學物質(zhì)，需要發(fā)展新的無損測量技術(shù)，以利于神經(jīng)化學分析研究，進而推進腦科學的快速發(fā)展，滿足安全防范和預防醫(yī)學等領(lǐng)域的應用要求。 本文綜合應用生物組織光學、中醫(yī)耳穴理論、信號處理和模

2、式識別理論與微系統(tǒng)集成技術(shù)，進行無損測量人腦神經(jīng)遞質(zhì)技術(shù)研究：建立基于磁共振儀腦測謊的謊實比率模型，研究并利用近紅外耳穴信號，指導提取該信號的小波特征與多重分形特征，重點檢驗兩個特征應用于測謊的準確率，以此無損間接測量人腦額區(qū)顳區(qū)神經(jīng)遞質(zhì)的整體內(nèi)源作用；設(shè)計實現(xiàn)驗證系統(tǒng)與微系統(tǒng)，設(shè)計相應的專用芯片。 論文首先概述人腦神經(jīng)遞質(zhì)的特點，分析無損測量人腦神經(jīng)電學、化學與結(jié)構(gòu)的成像技術(shù)優(yōu)缺點。通過分析腦神經(jīng)血管耦合規(guī)律、近紅外腦成像規(guī)律

3、與耳穴診療理論，搭建了研究工作的基礎(chǔ)。基于磁共振儀研究人腦測謊，旨在觀察腦額區(qū)顳區(qū)的氧離血紅蛋白的應激功能，建立謊實比率模型，為近紅外耳穴信號特征建模的準確性研究提供證據(jù)。針對近紅外額顳耳穴信號提取其超低頻特征。根據(jù)腦神經(jīng)遞質(zhì)的超慢振蕩特性和神經(jīng)血管耦合規(guī)律進行特征建模，具體選取反射腦額區(qū)和顳區(qū)的額顳耳穴，采集940 nm單波長的近紅外透射光強信號，直接提取近紅外光譜的小波超慢成份特征和多重分形特征，主要表征耳動脈血的氧合血紅蛋白色基之

4、于近紅外光的吸收漲落，間接檢測腦額區(qū)顥區(qū)神經(jīng)遞質(zhì)的整體內(nèi)源作用（即偏向興奮或抑制）；為了研究特征模型的準確性，邀請志愿者參加測謊/抑郁/微笑實驗。完成特征驗證的微電子系統(tǒng)采用傳感模塊、嵌入式微處理器系統(tǒng)和FPGA連接數(shù)字ADC。 論文主要創(chuàng)新工作包括：（1）基于磁共振儀腦測謊建立了謊實比率模型（即說謊腦耗氧大于誠實腦耗氧）：（2）利用了近紅外耳穴信號（即選取額顳耳穴處的940 nm近紅外透射信號）；（3）基于近紅外耳穴信號的小波

5、超低頻的幾何特征得到了謊實互補比率規(guī)律，以小波超低頻系數(shù)平方和所構(gòu)建的能量特征支持了謊實比率模型：以小波能量特征來表征疲勞的鈣誘導實驗，結(jié)果支持神經(jīng)遞質(zhì)的鈣激活特性；小波超低頻譜的多重分形特征適合于檢測抑郁和微笑；（4）建立了兩種驗證系統(tǒng)（PC機系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)），得到的測謊準確率下限是83％，處理過600組測謊原始數(shù)據(jù)；（5）以FPGA連接數(shù)字ADC（基于施密特非門振蕩器，輸出脈沖邊沿陡直并且容易控制得到較低頻率）實現(xiàn)了小波特征的驗證