無損測量人腦神經遞質技術研究及其系統(tǒng)實現(xiàn).pdf

1、21世紀進入了腦科學研究的時代。腦神經信息是經由神經元化學突觸的神經電脈沖與神經化學遞質的傳遞。無損檢測腦神經電生理的技術主要是腦電測量；無損檢測腦神經化學遞質主要基于磁共振譜儀。鑒于磁共振譜儀技術復雜而且波譜窗口狹窄，為便于間接檢測神經遞質這類內源性化學物質，需要發(fā)展新的無損測量技術，以利于神經化學分析研究，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，進行無損測量人腦神經遞質技術研究：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)神經遞質的整體內源作用；設計實現(xiàn)驗證系統(tǒng)與微系統(tǒng)，設計相應的專用芯片。 論文首先概述人腦神經遞質的特點，分析無損測量人腦神經電學、化學與結構的成像技術優(yōu)缺點。通過分析腦神經血管耦合規(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。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。針對近紅外額顳耳穴信號提取其超低頻特征。根據腦神經遞質的超慢振蕩特性和神經血管耦合規(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)神經遞質的整體內源作用（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，以小波超低頻系數平方和所構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，結果支持神經遞質的鈣激活特性；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組測謊原始數據；（5）以FPGA連接數字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