闭环超声脑刺激系统的软件设计和硬件开发研究

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低强度经颅超声刺激(Low-intensity transcranial ultrasound stimulation,TUS)是一种新型的脑神经调控技术。TUS利用超声波的机械效应达到神经调控的目的,借助超声波的物理特性,具备无创伤、高穿透深度、高空间分辨率的优点。但是,目前将TUS应用到实际临床的案例确是寥寥无几,其客观因素之一是动物疾病模型实验的欠缺以及超声刺激设备的高昂价格,并且所有TUS系统都以开环模式提供大脑刺激,这种模式在人工规定的时间发出刺激信号,并且不能根据大脑或者肌肉组织生理信号的变化自动产生刺激。因此,为了深入研究TUS在其应用上的潜在价值和超声刺激方式的新方法,本文利用TUS对小鼠进行刺激,并对现有的TUS的平台进行升级改造,打造了新的闭环超声刺激平台,借此分析了闭环TUS在刺激小鼠运动皮层时的刺激效果。首先,分析了TUS的研究现状和基本原理,总结了低强度经颅超声刺激在生物神经调控方面的发展历程,在此基础上搭建了超声刺激平台和脑、肌电采集系统。并对系统采集到的脑电、肌电信号进行滤波等处理,之后使用多项式拟合的方法分别拟合出脑、肌电与超声强度的数学关系式。然后,在上述超声刺激平台的基础上引入闭环控制方法,搭建闭环超声脑刺激系统,运用控制算法对小鼠的脑电和肌电模型进行闭环仿真控制,分析控制效果,随后在搭建的闭环超声脑刺激系统上进行实验,测试闭环超声脑刺激系统,检验控制算法。根据实验结果表明,可以实现闭环超声脑刺激系统对小鼠的脑电和肌电幅值的人为调控,试验方法具有可行性,为神经调控提供了可行性依据与方案。最后,基于以上研究,结合实验室现状,我们构思设计了一套便携式的经颅超声刺激与采集系统。此套系统,摒弃了实验室原有的大型实验设备,克服了现有设备的一些缺点,实现了,便携、无线传输、数据实时处理和在实验动物自由活动状态下进行实验观察的功能,为相关的动物实验提供了可行性技术支持和依据。上述研究成果为TUS应用在神经调控上提供了实验依据和技术支持,揭示了闭环经颅超声刺激系统对神经信息处理机制和优化神经疾病的治疗具有重要意义。
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