基于神经核团放电的脑组织立体定位技术研究

论文摘要

基于电生理信号的靶点定位是立体定向脑神经外科手术的关键技术,本文根据临床需要,以手术中微电极记录的帕金森病人神经细胞放电为对象,以获取放电信号特征为主线,以提取核团位置关联因子为目标,实现对微电极在神经核团中的位置实时定位,达到精确引导手术的目的,解决临床术中定位难题。本文的主要研究内容是信号预处理;放电脉冲增强、检测;脉冲提取、分类;特征因子求取;微电极术中定位。经过深入系统的研究,给出了详细的处理方法和步骤,对一些关键性技术取得了如下创新性成果。1、提出了小波变换去噪预处理方法,找出了适合于人脑神经放电的小波基和最小分解层数。剔除了神经放电信号的基线漂移和高频噪声干扰,避免了信号处理引起的放电波形失真。2、提出了小波系数和非线性能量算子两种放电增强算法,提出了神经放电脉冲检测和脉冲提取分步独立实现的方法。对于信号弱、信噪比低的神经放电信号,经处理提高了信噪比,克服了放电检测准确性和放电波形失真的矛盾。3、提出了自适应阈值新的检测算法,给出了两种检测阈值算法、四种放电检测方法。提取出了不同核团的脑神经放电脉冲,并对神经放电脉冲进行了分类,找出了人的神经放电持续时间及其规律。利用模拟神经放电验证了检测方法的准确性,采用临床神经放电信号验证了其可靠性。4、找出了与位置关联的盒子维、检测阈值、能量调制、峰峰间隔四个位置特征因子,并给出了具体算法。提出了利用四种因子实现定位的方法,在脑神经外科立体定向手术中首次提出了合理的定位依据和客观的定位技术,同时还给出了神经放电信号的可视化定位方法。5、提出了关联维无标度区中心自动选取的方法,实现了关联维的自动计算,解决了无标度区中心选取需要人工干预的难题。6、设计并构建了动物实验系统,采集了大鼠的脑神经放电信号,验证了放电脉冲提取和四种特征因子定位方法的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 帕金森病及其治疗方法
• 1.1.1 帕金森病及其症状
• 1.1.2 帕金森病治疗方法
• 1.1.3 帕金森病治疗技术进展
• 1.1.4 帕金森病治疗手术靶点及定位技术
• 1.1.5 微电极记录（MER）技术介绍
• 1.2 研究背景和现状
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 研究现状
• 1.3 研究目的及内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 脑神经细胞放电及立体定向手术介绍
• 2.1 脑神经系统及神经元
• 2.1.1 中枢神经系统
• 2.1.2 基底核和内囊
• 2.1.3 神经元
• 2.2 神经元放电
• 2.2.1 动作电位
• 2.2.2 神经放电记录
• 2.3 神经放电微电极记录系统介绍
• 2.3.1 微电极
• 2.3.2 微电极记录放大器
• 2.3.3 微电极控制器
• 2.3.4 数据采集卡
• 2.3.5 软件包
• 2.3.6 微电极记录设备安装及操作
• 2.4 立体定向系统
• 2.5 靶点定位技术
• 2.5.1 解剖定位
• 2.5.2 功能定位
• 2.6 微电极导向的立体定向手术
• 2.7 本章小结
• 第三章 生物医学信号处理方法与理论基础
• 3.1 概述
• 3.2 混沌与分形
• 3.2.1 分数维
• 3.2.2 时间序列信号的维数计算
• 3.3 小波变换
• 3.4 主成成份分析
• 3.5 卡方检验
• 3.6 本章小结
• 第四章 临床MER 电生理信号处理
• 4.1 临床电生理数据获取及信号特点
• 4.1.1 临床电生理数据获取
• 4.1.2 信号特点
• 4.2 信号预处理
• 4.2.1 一维离散小波变换及其去噪原理
• 4.2.2 细胞放电信号去噪处理
• 4.3 细胞放电检测
• 4.3.1 细胞放电信号增强
• 4.3.2 放电脉冲检测
• 4.4 脉冲提取及分类
• 4.4.1 脉冲提取
• 4.4.2 脉冲分类
• 4.5 检测结果及分析
• 4.5.1 模拟信号检测
• 4.5.2 临床放电信号检测
• 4.6 本章小结
• 第五章 神经细胞放电信号特征因子及临床手术定位
• 5.1 概述
• 5.1.1 电生理信号特征及临床电生理定位
• 5.1.2 临床手术定位中存在的问题
• 5.2 微电极术中定位
• 5.2.1 分形维定位
• 5.2.2 检测阈值定位
• 5.2.3 能量调制定位
• 5.2.4 脉冲峰峰间隔定位
• 5.3 临床微电极定位应用
• 5.4 脑神经组织特征因子定位方法
• 5.5 本章小结
• 第六章 动物实验
• 6.1 实验材料及设备
• 6.1.1 实验动物
• 6.1.2 实验设备
• 6.2 实验系统构成
• 6.2.1 动物脑立体定向仪
• 6.2.2 微电极
• 6.2.3 微电极放大器
• 6.2.4 电生理信号采集处理系统
• 6.2.5 实验设备的连接与调试
• 6.3 靶点的定位
• 6.3.1 大鼠头部的固定
• 6.3.2 手术靶点
• 6.4 数据采集
• 6.5 实验数据处理及结果分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结果与展望
• 7.1 工作总结及创新
• 7.2 未来研究设想
• 7.2.1 最佳检测阈值的自动选取
• 7.2.2 综合定位因子的确定
• 7.2.3 OCT 组合实现手术导航
• 7.2.4 手术计划及导航系统
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录