脑-机交互控制中脑神经电信号提取、传输与控制植入式系统的设计方案

目的：随着微电子学和显微外科手术水平的发展，使得在生物体脑内直接提取各种信息已成为可能。如何能在人脑与电脑之间建立一种不依靠人脑与人体组织的通信路径?为此探讨获得一个合理的用于脑-机交互控制中脑神经电信号提取、传输与控制植入式系统的设计方案。方法：通过把最新的微电子技术运用到脑电生物信号的提取领域。提出了一种用于脑-机交互控制中的脑神经电信号提取、传输与控制的植入式电子系统设计方案。并对方案中所涉及的关键技术、难点以及可能的解决方法进行了详细讨论。结果：系统方案主要由如下几部分组成：神经电极阵列(16&;#215;16个神经电极组成)、低噪声放大器、仪表放大器，多路选择器、A／D转换器(12bit分辨率)、数据压缩、编码器、无线收发器、解码器、控制单元与能量管理单元、可控电流源、射频提能电路或电池以及天线等。系统的工作原理可根据信号的流向分为两部分：①神经电信号的提取与无线发送。②接收脑外的指令，根据指令对脑神经施加相应的电刺激。结论：提出的方案能对16&;#215;16的不同深度的脑神经电信号进行采集，数据精度能达到12bit，是一个闭环控制系统。     

基于时频域分析的运动想象脑电信号分类

人的不同运动想象会产生不同的脑电信号.脑机接口系统就是利用这种不同的脑电信号,利用外部的连接和控制设备将不同的思维活动与不同的指令结合起来,实现人脑和外部设备的通信.为了从包含各种噪声的脑电信号中提取特征,国内外学者运用各种方法,通过多种途径,力图达到最优的信号分类模式.文章介绍了一种新的方法运用于运动想象脑电信号分类,该方法基于脑电信号的时频域分析,结合C3,C4电极脑电信号间的相互关系,依据Fisher距离进行特征抽取,运用线性分类器进行分类.该算法运用到3名受试者的脑电数据中,分别对选取脑电信号特征频率段、Kappa值、和脑电信号特征选取不同时间段进行分析.分类效果因受试者而异,从65.0%到93.1%.     

脑机接口在线识别左右手运动想象的脑电信号分析

采用脑机接口2003竞赛中Graz科技大学提供的脑电数据,用小波包分解获取8～16 Hz脑电信号,计算C3,C4电极脑电信号的功率谱峰值和对应频率作为组合脑电特征向量,运用时变线性分类算法对运动意识任务运行分类.对140次实验的测试样本数据分析,最大分类正确率可达89.29%,最大互信息和信噪比分别为0.622 8 bit和1.371 3.提示C3,C4电极8～16 Hz脑电信号功率谱峰值和对应的频率能很好地反映左右手运动想象脑电特征的变化,与事件相关去同步/事件相关同步现象变化一致,可在线识别左右手想象运动.     

基于功率谱峰值及时变线性分类算法的运动意识分类

背景:脑电信号的特征提取是脑机接口系统中一个重要的环节,如何快速有效地提取反映大脑意识任务状态的脑电特征是进行分类、正确解读意识任务的关键.目前,提取脑电信号特征通常采用功率谱密度估计、自回归模型和小波变换等方法,这些特征都是以脑电信号的线性化为前提,上述方法不能很好地反映出大脑的非线性动力学性质.目的:分析脑电信号功率谱峰值在识别左右手想象运动中的作用.方法:采用脑机接口2003竞赛中Graz科技大学提供的脑电数据,用小波包分解获取8～24 Hz脑电信号,计算C3,C4电极脑电信号的功率谱峰值作为脑电特征向量,运用时变线性分类算法对运动意识任务运行分类.结果与结论:对140次实验的测试样本进行数据分析,最大分类正确率可达89.29%,最大互信息和信噪比分别为0.6269 bit和1.3848.C3,C4电极8～24 Hz脑电信号功率谱峰值能很好地反映左右手运动想象脑电特征的变化,与事件相关去同步/事件相关同步现象变化一致,可在线识别左右手想象运动.     

基于脑电信号模式识别与采集的假肢控制系统

介绍了脑电信号产生的原理、部位和所包含的生理信息，分析了对脑电信号进行模式识别的目的、方法、步骤，以及脑电信号采集领域的最新发展与相关医学原理。其中脑电信号模式识别的步骤包括信息获取、预处理、特征提取和选择、分类决策与识别。通过研究脑电信号和假肢运动的联系，得出利用脑电信号控制假肢的可行性结论设计出以头皮电极、假肢电极为起点，经过差动放大电路、假肢驱动电路、前置放大电路、陷波电路、中级放大电路和滤波电路到达终点模，数转换器的基于脑电信号模式识别与采集的假肢控制系统，实践证明其能够满足脑电假肢的各种要求。     

有源电极表面肌电信号在检测中的应用

目的:准确地检测表面肌电信号。方法:研究减小表面肌电信号检测中的噪声方法,探讨如何采用差分结构放大器、有源电极、滤波器等方法设计电极单元,以及电极形状和正确的放置方法。结果:采用仪用放大器AD620设计了双极性的有源电极成功用于表面肌电信号检测。结论:实验表明,采用有源电极可以提高信噪比,减小噪声,有效地提取出表面肌电信号。     

有源电极表面肌电信号在检测中的应用

目的：准确地检测表面肌电信号。方法：研究减小表面肌电信号检测中的噪声方法，探讨如何采用差分结构放大器、有源电极、滤波器等方法设计电极单元，以及电极形状和正确的放置方法。结果：采用仪用放大器AD620设计了双极性的有源电极成功用于表面肌电信号检测。结论：实验表明，采用有源电极可以提高信噪比，减小噪声，有效地提取出表面肌电信号。     

脑深部电极刺激机制的模拟研究

深部脑电刺激术(deep brain stimulation,DBS)通过电极靶向电刺激深部脑神经核团.使异常的神经元放电得以控制.能够快速恢复患者原有的部分生理功能.由于其对于治疗运动失调,如帕金森病、癫痫等方面取得了显著而持久的疗效,并在其他神经疾病的治疗上显示出了很大的潜力,正在被越来越多地应用于临床[1].     

视皮质假体中多路信号的无线传输

背景:信号无线传输系统担任着视皮质假体体内外信息交互的任务,为了使假体能够对刺激区域进行多靶位的有效刺激,需要从体外传输进来多个不同的刺激信号.目的:提出一种多路信号无线传输系统的设计方案.方法:利用频分复用技术,能够在单一通道上完成多路信号的传输,整个系统设计分体外发射电路和体内接收电路两部分,且接收电路采用无源设计,减少了供能给植入体带来的危害.在给出具体设计电路的同时,对影响系统传输效率的因素做了进一步分析,通过Multisim仿真实验验证其可行性.结果与结论:该多路信号无线传输系统可以扩展应用到各类植入式假体的信号传输部分,并日采用体内无源设计,避免了为电路供能给人体带来的伤害,通过初步的仿真实验证明该系统具有可行性,具有广泛的应用前景.     

基于脑电密码的新型生物识别方法

背景:脑电信号不仅是一个非常有用的临床诊断工具,而且也是一种很好的用于身份认证的生物识别工具.目的:通过分析脑电信号进行个人身份认证及识别的问题,介绍一种新型身份识别方法.方法;采用以回归系数、能量谱密度、相同步、线性复杂度等多种信号处理结合方法对脑电信号进行处理,运用神经网络等分类方法对不同脑电信号进行分类.结果与结论:平均识别率在80%以上.对自由状态下的人在刺激作用或下达指令时的脑电活动进行实时记录,通过信号分析算法和分类算法对脑电的时空变化进行归类,最终实现通过脑电信号进行个人身份识别的目的.可见,以脑电信号作为身份识别完全可行,预计不远的将来必将普及.     

植入式人工肛门括约肌系统的实现及动物实验

背景：研制新型的符合人体生理需求的人工肛门括约肌系统具有十分重要的意义。目的：设计一种新型植入式人工肛门括约肌系统。方法：利用无线通讯模块和压力传感器重建排便控制机制,并由经皮能量传输模块供电,采用机电系统模拟人体自然器官的功能,最终实现人体肛门括约肌的控制效果。结果与结论：设计并实现了一种新型的植入式人工肛门括约肌系统,在重建排便机制和模型的基础上,一定程度上恢复肛门失禁患者的生物反馈控制能力,并带有经皮能量传输模块,为体内系统长期无缆式供电提供可能。该系统实现了植入式动物实验,完成了系统植入可行性和基本功能验证。     

Preliminary evaluation of a new fibre-optic cerebral oximetry system

A new system for measuring the oxygen saturation of blood within tissue has been developed, for a variety of patient monitoring applications. A particular unmet need is in the central nervous system, and this project aims to devise a means for measuring blood oxygen saturation in the brain tissue of patients recovering from neurosurgery or head injury. Coupling light sources and a photodetector to optical fibres results in a probe small enough to pass through a cranial bolt of the type already in use for intra-cranial pressure monitoring. The development and evaluation of a two-wavelength fibre-optic reflectance photoplethysmography (PPG) system are described. It was found that good quality red and near-infrared PPG signals could be obtained from the finger using a fibre-optic probe. Experiments were conducted to find the inter-fibre spacings that yield signals most suitable for calculating oxygen saturation. Reliable signals could be obtained for inter-fibre spacings between 2 mm and 5 mm, the latter being the size of the maximum aperture in the cranial bolt. A preliminary measurement from human brain tissue is also presented.     

中枢神经胶质细胞与认知功能

胶质细胞是中枢神经系统的重要组成部分，也是大脑神经环路活动的重要整合者。胶质细胞参与突触的构成并影响突触的功能，能抑制神经元过度兴奋，并帮助神经元产生长时程增强反应，从而对学习、记忆等脑的高级功能活动产生重要影响。病理条件下，胶质细胞从静息状态迅速向激活状态转化的功能改变与认知障碍的发生有密切的关系。     

基于人工神经网络与人工智能的计算机系统在儿童心理障碍诊断领域的应用

背景:将人工智能和人工神经网络二者相结合应用于精神卫生领域的文献在国内外还未见报道,更未见将人工神经网络与人工智能相结合用于模拟人类医学专家大脑诊断思维模式诊断儿童心理障碍的相关报道.目的:用计算机模拟人脑诊断思维模式,建立一套基于人工神经网络与专家系统的儿童心理障碍标准化诊断与防治的人工智能专家系统.方法:儿童心理障碍标准化诊断与防治的人工智能专家系统涉及儿童心理学、儿童精神病学、心理测量、心理治疗、计算机科学等诸多学科,诊断系统结合了ICD-10、DSM IV及CCMD-2等诊断标准、大规模流行病学调查数据、资深精神医学专家的丰富临床经验和临床资料.临床资料来源于全国14 家医院流调及门诊收集的原始病例,共回收有效资料1 125份,用基于神经网络与专家系统相结合的方法进行智能诊断系统的编制.结果与结论:诊断系统能诊断61种儿童心理障碍,它包括95%以上的儿童心理障碍,在诊断之后,计算机将给出一个治疗方法建议.将195例计算机系统诊断结果与资深儿童心理精神医学专家的诊断结果进行双盲比较,诊断符合率是99%,有助于年轻医生学习资深儿童心理精神医学专家丰富的临床经验,也能帮助全国各地的心理障碍患儿,更好地为儿童心理卫生事业服务.     

Transvenous and Subcutaneous Electrode System for an Implantable Defibrillator, Improved on Large Pigs

The currently required surgical procedure for implantable defibrillator implantation is a limiting factor and several groups are therefore investigating transvenous approaches. Our electrode system consists of a nondistal right ventricular catheter electrode and two or three subcutaneously (SC) placed electrodes. An optimal location for these SC electrodes is important to obtain the lowest possible defibrillation threshold (DFT) by allowing a more homogeneous current distribution within the thorax. An empirical approach consists of placing randomly the SC electrodes to find out the lowest possible DFT. A mathematical approach is to calculate the SC electrode locations for an optimal electric field distribution by using magnetic resonance images of thorax cross-sections and a specially designed computer program. Our recent experimental results are based on a series of 15 pigs weighing between 60 and 102 Kg. DFT ranged between 10 and 26 joules. We conclude that an electrode system with a right ventricular electrode and two or three subcutaneous electrodes can be optimized to reach a DFT for pigs with human-near body weights which is compatible with the energy capabilities of our implantable device.     

医用超声系统增益补偿电路的设计

背景:为使深度不同但性质相同的界面反射的回波信号能显示出相同的幅值,必须根据深度(即时间)逐步增大放大器的增益,而使超声波在传播衰减过程中所引起远距离反射波弱的情况得到相应补偿.目的:为了补偿医学超声系统中回波信号的传输衰减问题,提出了一种时间增益补偿电路设计方案,阐述电路设计依据和原理.方法:针对医用超声系统的特点选择高信噪比、高带宽的可变增益放大器件VCA610,实现超声的增益补偿电路.结果与结论:该设计方案有效地解决了医用超声软组织测量过程中由声程导致的回波信号的非线性补偿问题.与传统的分立元件电路相比,该方案具有电路简单,TGC控制信号稳定可靠以及调节灵活等优点,能准确地补偿超声波在人体内的衰减,从而为医学测量系统的设计提供了一个新的可靠方法.     

From neurovascular coupling to neurovascular cascade: a study on neural, autonomic and vascular transients in attention

Mental processes bring about neural, vascular and autonomic changes in the brain cortex. Due to the different nature of these modifications, their onsets show no synchrony and time dynamics is often strongly dissimilar. After acquiring data from a group of 16 subjects, we estimated temporal correlation between task and signals in order to assess possible influences induced by an attentive task on electroencephalographic (EEG), heart rate variability (HRV), oxy- and deoxy-haemoglobin concentration signals. We also investigated correlations and time delays between couples of different biological signals. This allowed for the isolation of a subgroup of subjects showing similar tracks. Cardiac frequency and deoxy-haemoglobin signals displayed a strong positive correlation with the task design, while EEG alpha rhythm and oxygenation showed a negative correlation. Neural electrical response was nearly instantaneous with respect to the task progression, and autonomic response showed a mean delay of about 15 s and a slower hemodynamic response (mean delay above 20 s) was finally induced. Globally, the task elicited a cascade of responses, in which delays can be quantified.     

基于人工神经网络与人工智能的计算机系统在儿童心理障碍诊断领域的应用

背景：将人工智能和人工神经网络二者相结合应用于精神卫生领域的文献在国内外还未见报道,更未见将人工神经网络与人工智能相结合用于模拟人类医学专家大脑诊断思维模式诊断儿童心理障碍的相关报道。目的：用计算机模拟人脑诊断思维模式,建立一套基于人工神经网络与专家系统的儿童心理障碍标准化诊断与防治的人工智能专家系统。方法：儿童心理障碍标准化诊断与防治的人工智能专家系统涉及儿童心理学、儿童精神病学、心理测量、心理治疗、计算机科学等诸多学科,诊断系统结合了ICD-10、DSMIV及CCMD．2等诊断标准、大规模流行病学调查数据、资深精神医学专家的丰富临床经验和临床资料。临床资料来源于全国14家医院流调及门诊收集的原始病例,共回收有效资料1125份,用基于神经网络与专家系统相结合的方法进行智能诊断系统的编制。结果与结论：诊断系统能诊断61种儿童心理障碍,它包括95％以上的儿童心理障碍,在诊断之后,计算机将给出一个治疗方法建议。将195例计算机系统诊断结果与资深儿童心理精神医学专家的诊断结果进行双盲比较,诊断符合率是99％,有助于年轻医生学习资深儿童心理精神医学专家丰富的临床经验,也能帮助全国各地的心理障碍患儿,更好地为儿童心理卫生事业服务。     

Brain Machine Interface and Limb Reanimation Technologies: Restoring Function After Spinal Cord Injury Through Development of a Bypass System

Functional restoration of limb movement after traumatic spinal cord injury (SCI) remains the ultimate goal in SCI treatment and directs the focus of current research strategies. To date, most investigations in the treatment of SCI focus on repairing the injury site. Although offering some promise, these efforts have met with significant roadblocks because treatment measures that are successful in animal trials do not yield similar results in human trials. In contrast to biologic therapies, there are now emerging neural interface technologies, such as brain machine interface (BMI) and limb reanimation through electrical stimulators, to create a bypass around the site of the SCI. The BMI systems analyze brain signals to allow control of devices that are used to assist SCI patients. Such devices may include a computer, robotic arm, or exoskeleton. Limb reanimation technologies, which include functional electrical stimulation, epidural stimulation, and intraspinal microstimulation systems, activate neuronal pathways below the level of the SCI. We present a concise review of recent advances in the BMI and limb reanimation technologies that provides the foundation for the development of a bypass system to improve functional outcome after traumatic SCI. We also discuss challenges to the practical implementation of such a bypass system in both these developing fields.