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肌电信号用作控制信息源的单自由度肌电假肢在临床上已得到了成功应用,但其在多自由度假肢控制方面的应用效果并不是很理想。由于肌肉的运动是由神经控制的,神经电信号是人脑控制意识的直接表征,因此以神经电信号作为直接人机控制接口是解决多自由前臂假肢控制信息源的一种可行途径,也是近年来国内外在生物医学工程领域研究的热点。论文开展了神经电信号提取方案及运用该方案于动物实验方面的研究,旨在为用神经植入式微电极获取周围神经电信号的方法提供实验依据,探索将神经电信号作为前臂假肢的控制信源,为实现假肢的多自由度智能控制奠定基础。本论文主要研究内容如下:
1. 设计神经电信号提取方案。根据神经电信号的特征,基于已研制的神经微电极,制作了四路神经电信号调理电路,组成了一个完整方案以用于提取神经电信号。即将微电极传导出的原始神经电信号,通过信号调理电路进行高倍放大、去除噪声等处理后被提取。信号调理电路采用三级放大的设计方法,主要分为前置输入放大、辅助放大和增益调节放大。特别是电路中前置放大器的设计,使得该电路具有很高的输入阻抗和共模抑制比,能有效地解决提取微弱神经电信号时遇到的工频干扰和极化电压等难题。后续的动物实验也进一步验证了该方案用于提取动物神经电信号的实用可靠性。
2. 信号提取过程中的抗干扰设计。由于生物电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号的特点,因此如何有效抑制干扰是信号提取过程中的关键之处。基于此,分析了提取信号时可能引入干扰的途径,并采取了相应的若干抗干扰措施。后续的动物实验成功提取到神经电信号证明了这些措施是有效的。
3. 进行动物实验。选取SD大鼠为实验动物,运用神经电信号提取方案提取大鼠的坐骨神经电信号。即在SD大鼠坐骨神经束内植入微电极,若干个月后,进行了多次神经电信号提取的实验。在麻醉状态下对大鼠进行刺激,通过神经电信号调理电路获得了清晰的诱发神经电信号;而在对大鼠的促醒过程中,则获得了一系列自主意识的神经电信号。通过分析,实验所提取到的信号具有神经电信号的基本特征。这表明了神经电信号提取方案中,微电极设计所采用的材料具有良好的生物相容性,微电极有利于信号的提取;信号调理电路能有效对微电极传导出的原始神经电信号进行放大、去噪等处理。这验证了本研究中神经电信号提取方案具有实用性。