基于双向神经接口的生物机器人系统的研究

论文摘要

随着神经科学、计算机技术、信号处理技术的高速发展,神经接口(NeuralInterface)的研究成为了当前的研究热点。神经接口是神经系统与外界环境交互的一种通道,外界的信息经NI转化为具有一定模式的神经信号,输入神经系统,用于修复、改善甚至扩展神经系统原有的功能;同时,各类神经信号可通过NI转化为可识别的机器指令,用于控制外部环境。生物机器人是指体内植入了神经接口的动物,NI把控制信号转化为特定模式下的神经信号,来控制动物完成规定任务,同时又可记录动物神经细胞的发放电信号,来分析监测动物在特定运动状态下的生理状态。目前,应用于生物机器人的神经接口大多只有单向信息传递功能,单输入型神经接口无法定量评估刺激对动物的控制作用,单输出型神经接口由于缺乏刺激,无法控制动物行为,此外,大多数神经接口包含繁杂的传输电缆和采集设备,限制了生物机器人的活动范围并会对研究结果造成影响。因此,小型且具有双向信息传递功能的神经接口成了该领域的发展趋势。本文设计并实现了一个具有无线双向通讯功能的神经接口,为生物机器人的研究提供了一个平台。论文首先对神经接口和生物机器人技术进行了综述,提出了生物机器人技术的重点研究内容;接着阐述了生物机器人系统研究的理论基础和相关技术;在此基础上,提出了基于双向神经接口的生物机器人系统的系统框架,对系统中的行为控制模块,视频和脑电同步记录模块及数据分析模块做了详细的分析;该系统在行为导向实验和行为判别实验中得到了应用,并得到了较好的研究结果;最后,为了进一步提高系统的可靠性和数据分析的准确性,提出了一些改进方案。本研究对动物行为控制及运动皮层的组织和功能的研究意义重大,另外,行为信息与脑电信息的同步采集与分割技术为解析大脑运动皮层的编解码机制提供了技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 神经接口概述
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 神经接口技术的国内外研究现状
• 1.3.2 生物机器人系统的国内外研究现状
• 1.4 研究意义及应用方向
• 1.4.1 基于神经接口技术的生物机器人系统的研究意义
• 1.4.2 生物机器人的应用领域
• 1.5 生物机器人系统的研究内容
• 1.6 本文结构
• 第2章 生物机器人系统研究基础
• 2.1 概述
• 2.2 动物手术
• 2.3 电极材料
• 2.3.1 电极制作
• 2.3.2 电极的生物相容性问题
• 2.4 硬件设计
• 2.5 视频处理技术
• 2.5.1 Direct Show SDK
• 2.5.2 视频采集过程
• 2.5.3 非线性编辑DES
• 2.5.4 开发环境的配置
• 2.6 神经信号处理
• 2.6.1 过去分类方法存在的问题
• 2.6.2 可提高聚类效果的方法
• 2.6.3 Fisher线性判别法
• 2.7 本章小结
• 第3章 双向神经接口的详细设计与实现
• 3.1 概述
• 3.2 体系结构
• 3.3 行为控制模块
• 3.3.1 脑神经电刺激器
• 3.3.2 控制软件的设计
• 3.3.3 通信协议
• 3.4 视频处理模块
• 3.4.1 视频采集模块
• 3.4.2 视频切割模块
• 3.5 脑电采集模块
• 3.5.1 有线采集方案
• 3.5.2 无线采集方案
• 3.5.3 两种方案的比较
• 3.6 视频与脑电的同步
• 3.6.1 采集的同步
• 3.6.2 切割的同步
• 3.7 数据处理
• 3.7.1 信号的预处理
• 3.7.2 利用Fisher LDA对大鼠前肢进行动作判别
• 3.8 本章小结
• 第4章 双向神经接口在生物机器人上的应用
• 4.1 行为导向实验
• 4.1.1 实验材料
• 4.1.2 实验步骤
• 4.1.3 实验结果
• 4.2 行为判别实验
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 实验结果
• 第5章 结论与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 系统的改进与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果
• 致谢
• 作者简历