神经信号的分析与处理.pdf

隶韵大些 硕士学位论文 神经信号的分析与处理 国家自然科学基金( 项目编号：9 0 3 0 7 0 1 3 ，9 0 7 0 7 0 0 5 ) ，东南人学生物电子学国家重点实验室开 放基金，东南人学学习科学研究教育部重点实验室开放基金 a n a l y s i sa n dp r o c e ss go f n e 眦i 璐f 幽 at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i 哆 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y y ：f ! 埘gx i a of e n g s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rl u x i a o y i n g a n d p r o f e s s o rw a n g z h i g o n g s c h o o lo fb i o l o g i c a ls c i e n c ea n dm e d i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s 时 j u n e ，2 0 1 3 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 妇迭眺趔 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：师签名： 日期： 猕 复 摘要 人中枢神经系统的损伤会的导致肢体功能产生障碍，造成瘫痪，给患者的正常生活 造成了巨大困难。因此很多不同领域的专家正在从不同方向致力于神经功能恢复的研 究。生物学方法主要是通过神经干细胞的移植来修复受损神经组织，但是目前还不能用 于临床实践。到目前为止外科手术也无法使脊髓神经再生。因此本课题组在国际上率先 提出了“微电子神经桥”思想来重建神经功能，即用微电子电路重构神经信息的通路。本 文的研究内容是该课题中的神经信号分析与处理部分。 本文的工作主要包括神经信号的小波降噪，神经信号的峰电位检测，神经信号中伪 迹信号的去除以及基于d s p 的神经信号伪迹去除实时处理四部分。其中神经信号降噪 以及峰电位检测中所用到的神经信号是从蟾蜍体上采集得到的，神经信号伪迹去除部分 的待处理信号为p c i 2 细胞所产生的神经信号。 神经信号的采集中混有大的噪声信号，小波降噪利用小波变换的多分辨率分析特 性，可聚焦到神经信号的细节信息，有效去除了信号中存在的大背景噪声，降噪后信号 曲线光滑，保留了真实信号成分，有效提高了信噪比。 在课题组阈值检测峰电位方法的基础上，本文采用非线性能量算子对其进行了改 进，信号在加载非线性能量算子后能有效提升峰电位的幅值信息，再利用阈值方法能方 便准确地检测出神经信号中存在的峰电位。 随后对神经信号中的伪迹信号进行了去除。先采用阈值法检测到伪迹信号，对提取 出的伪迹信号做相关性分析，按照相关系数对伪迹信号进行分类，并且通过曲线拟合的 方法得到伪迹信号的模板，实验表明该方法能有效的将神经信号中的伪迹信号去除。 最后在d s p 上对神经信号中的伪迹信号进行了实时处理，实验结果证明利用曲线 拟合的方法能够实现伪迹信号的实时抑制。 关键词：神经信号小波降噪非线性能量算子互相关曲线拟合伪迹抑制 a b s 仃a c t a b s t r a c t a n 蝎u 巧o f ac e n t r a ln e r v o u ss y s t e ml l i n d e r st h en o m a la c t l v l t l e so tt h e1 1 m bo 士h 啪a i l ， e s p e c i a l l y f o rp a r a l y z e dp a t i e n t s s om a l l ye x p e r t sa r ed e d i c a t e dt ot 1 1 er e s e a r c ho ft 1 1 e r e c o v e r yo fn e u r o l o g i c a lm n c t i o nf b md i f f e r e n td i r e c t i o n sa c c o r d i n gt o 廿l e i ro w ns p e c i a l 吼 b i o l o g i s t st r ) ，t ou s et l l en e 吼s t e m - c e ut e c | l i l o l o g yt oa c l l i e v et h eg o a l h o 、e v e r ，i ti s s t i l l f 打丘d mac l i l l i ca p p l i c a t i o n u pt on o w ，i ti sy e ti m p o s s i b l et om d k em ef - 衄c t i o nr e c o v e r yo f i n j u r e ds p i n a l c o r db ym e a n so fs u 玛e 阱“e m b e d d e dm i c r o e l e c t r o i l i c s ，n e u r a lc h 撇e l b 耐g i n gs o c i sp r o p o s e db yo u rr e s e a r c hg r o u p r n l em e t h o di st or e c o n s 仃u c tt l l ec h 锄e lo f n e u r a li n f o m a t i o nb yu s i n gm i c r o e l e c 仰i l i ci c s ( i n t e 黟a t e dc 洫u i t o t 1 1 ec o n t e n to f “sp 印e r i st 1 1 es t u d yo fa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n go ft h en e u r a js i g n a l s i nt 1 1 i sp 印e r ，m er e s e a r c hc o n t a i n s4p a r t s ：w a v e l e td e - n o i s i n go ft h en e u r a ls i g n a l s ， s p i k ed e t e c t i o n ，a r t i f a c tr e m o v a lo ft h en e u r a ls i 印甜sa i l dt l l ea r t i f a c tr e m o v a lf o rr e a l t i m e t i l en e u r a ls i 驴a li sg o t 行o mt o a d ，a i l dm e o r i g i n a ls i 印a li i l c l u d e sal o to f b a c k 孕o u l l dn o i s e s t h ew a v e l e tt m s f o mm e m o di su s e dt od e n o i s em eo r i g i n a ls i g n a l s 7 r h er e s u l t ss h o wt h a t m eb a c k g r o u i l dn o i s e sc a i lb ef i l t e r e do u ta n ds i g i l a j - t o - n o i s er a t i oc a nb ei m p r o v e di n p m c e s s i n gn o m s t a t i o n a 巧n e u l a ls i 印m se 丘i e c t i v e l y a r e rw a v e l e tn o i s e d 锄p e n i i l g ，t l l en o i l l i n e a re n e 曙yo p e r a t o ri si n t m d u c e di m ot h e d e t e c t i o no ft l l ea c t i o np o t e n t i a lo fn e n ，es i 盟a l s a sac o n s e q u e n c e ，m ed e t e c t i o nr a t ea i l dt h e a c c u r a c y r a t eo fm ea c t i o np o t e n t i a la r ei m p r o v e d l e o r e t i c a l l yt 1 1 m u 曲u s i n go ft h e i i l s e o u s 舶q u e n c ya i l da i 】1 p l i t u d eo fm es i 印a 1 c u r v ef i t t i i l gi su s e dt og e tm et e m p la t eo fa r t i f a c ts i g i l a li no r i g i l l a ls i g i l a l s 舶mp c12 c e l l s a r e rt h i s ，t h e 锄p l h d eo fm ea r t i f a c ts i 印a l sd e t e c t e d 舶mo r i 咖a ls i 印a l si s s u b t r a c t e db yt 1 1 et e m p l a t eo fa l r t i f i a c ts i g n a l t h ef e s ti sr e a ln e u r a is i g n a l sa c c o r d i n gt ot l l e p r i n c i p l e so f 也e 缸i f a c ts u b n a c t i o n f i n 甜1 y ，t 1 1 ea r t i f a c ts i g n a li sr e m o v e d 谢n ld s pf o rr e a jt i m ep r o c e s s i n g t h er e s u l t s s h o wt l l a tt h em e t h o do fc u r v ef i t t i i l gc o u l dr e m o v et l l ea r t i f a c ts i 印a l se 虢c t i v e l y k e y w o r d s ：n e u r a ls i 弘a l s ，w a v e l e td e n o i s i n g ，s p i k ed e t e c 血g ，n o l l l i n e a re n e 昭y0 p e r a t o r ， a r t i f 砬ts i 印a j s ，c m v ef i t t i i l g ，d s p i l 目录 目录 摘要i a b s 仃a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景l 1 2 人体神经系统2 1 2 1 外周神经系统4 1 2 2 中枢神经系统4 1 3 神经元结构及功能6 1 3 1 神经元的基本结构6 1 3 2 神经元的分类7 1 3 3 突触8 1 4 神经元的电信号传导机制1 0 1 4 1 静息电位1 0 1 4 2 动作电位1 l 1 5 神经信号分析与处理的国内外研究现状1 2 1 6 论文组织结构21 1 7 参考文献2 1 第二章神经信号的小波降噪2 7 2 1 小波变换理论的发展2 7 2 2 小波变换的基本理论3 0 2 3 连续小波变换31 2 4 离散小波变换3 3 2 5 小波变换的多分辨率分析3 4 2 6 小波降噪的m a t l a b 实现4 0 2 7 参考文献5 0 第三章神经信号的峰电位检测5l 3 1 神经信号峰电位检测的意义5 1 3 2 神经信号的记录51 3 3 神经信号峰电位检测的理论假设：5 2 t it 东南大学硕士学位论文 3 4 蟾蜍神经信号的峰电位检测的实现5 2 3 4 1 非线性能量算子5 3 3 4 2 峰电位检测的实现5 4 3 5 参考文献6 3 第四章神经信号的伪迹去除6 5 4 1 影响伪迹信号的因素6 5 4 2 伪迹信号的提取6 7 4 3 伪迹信号的相关性分析7 0 4 3 1 互相关的定义7 0 4 3 2 伪迹信号的互相关实现7 1 4 4 伪迹减法7 4 4 4 1 伪迹减法的原理7 4 4 4 2 曲线拟合法求取伪迹信号的模板7 5 4 5p c i 2 细胞实验中伪迹信号的去除实现7 6 4 6 伪迹减法去除伪迹信号的实现7 7 4 7 参考文献7 8 第五章基于d s p 的神经信号伪迹去除的实时处理一7 9 5 1 实时数字信号处理技术的发展过程7 9 5 2d s p 芯片的选择7 9 5 3d s p 芯片的特点8 0 5 4t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 介绍81 5 5c c s 开发环境概述8 4 5 5 1c c s 开发环境的功能8 4 5 5 2c c s 配置8 5 5 6 神经信号伪迹实时去除的实现8 6 5 7 参考文献9 0 第六章总结与展望9 1 6 1 本文总结9 1 6 2 未来工作展望9 2 硕士在读期间发表的论文9 3 致 射9 4 1 1 课题背景 第l 章绪论 第1 章绪论 神经系统对于维持人体的运动，感觉以及意识功能有着重要作用。中枢神经系统由 脑和脊髓组成，包含有大量的传出和传入神经元。这些神经元会由于感染，中毒，营养 障碍，遗传缺陷等原因造成中枢神经系统功能的缺失。比如脊髓损伤是人们日常生活中 比较常见的一种疾病，由于脊髓在损伤后人体的大脑与肢体之间的神经信号通路被切 断，导致正常的身体部位不能正常发挥功能，给患者造成身心上的痛苦也给家人带来诸 多不便。因此现在有很多专家学者一直致力于神经损伤修复的研究，并且也取得了一定 的进展。神经损伤修复的方法主要有生物修复法和非生物修复法两种。生物修复法是通 过细胞培养和组织移植的方式代替原来的神经组织发挥功能【l j ，但是应用范围主要限制 在外周神经系统，对于中枢神经系统的修复作用非常有限。近年来由于神经工程学的飞 速发展，将多学科的研究成果应用到神经损伤修复中，非生物方法长足发展，东南大学 王志功，吕晓迎两位教授和南通大学的顾晓松教授在国内率先提出植入式微电子神经桥 的方法来实现神经功能的重建，该思想是在哺乳动物的脊髓受伤部位，植入微电子装置 代替受损部位进行神经信号传递【2 j 。 图1 1 微电子神经桥基本构思示意图 课题组所采用的植入式“微电子神经桥”法实现神经功能恢复的主要研究内容包含： 微电极阵列的设计 检测电路的设计 东南大学硕士学位论文 激励电路的设计 动物实验 神经信号的分析与处理 能量传输的研究 植入系统生物相容性的研究 本课题属于神经信号的分析与处理部分，主要是先对采集到的信号通过小波降噪的 方法进行预处理，在此基础上应用非线性能量算子检测神经信号中所包含的峰电位。由 于神经信号在采集过程中会有伪迹信号的产生，所以本文中还进行了神经信号伪迹的去 除并通过d s p 硬件对其进行实时实现。 1 2 人体神经系统 神经系统是人体最为复杂和重要的系统之一。对于神经系统的研究一直都是生物和 医学界的主要焦点。对于神经系统的研究从1 9 世纪起发展到现在，聚集了一代又一代 专家学者的心血和智慧，极大地推进了医学、神经生物学及神经科学在工程学中的应用， 并且取得了一系列重大进展，从神经元到神经，从生理电信号的发现到提取应用，从神 经冲动表象到其内部产生机理，都为神经科学的繁荣做出巨大贡献。神经系统与人的生 活息息相关，无论是工作学习还是感知运动，都是在神经系统的主导下完成的。由于神 经系统功能复杂，还有一些奥秘需要探索，因此对于神经系统的研究将是一个长期的过 程。 神经系统在人的组织器官中承担着功能调节作用，与神经系统以及内分泌系统的联 系非常紧密，它们之间是相互合作又相互影响的，正是这样实现了对人体的生理活动的 控制和调节【3 1 。神经系统可以感受外界环境的变换，并对外界的刺激做出响应。 神经系统按照功能和其所处的部位可以分为中枢神经系统和外周神经系统两大部 分，它们之间也是互相关联的，其基本组成部分都是神经元，并且都具有感觉神经和运 动神经，感觉神经负责与外界的信息交流，运动神经可执行经过机体处理后的相关命令 【4 】。比如外周的传入神经纤维将从外界感受到的信息传递到中枢，中枢通过自身功能的 运转，将该传入信号处理后转变为指令信息，并且通过传出神经让效应器去执行。这一 系列过程都是以神经冲动的方式进行的，而神经冲动的实质则是一种生物电变化【5 j 。图 1 2 是人体神经系统的解剖图。图1 3 是人体神经系统的分层结构。 2 第l 章绪论 绣 蒸棚 图1 3 人体神经系统的分层结构 神经系统中有两类重要的细胞，分别是神经细胞又称为神经元和神经胶质细胞，这 两种细胞在神经系统中发挥着不同的作用，并且缺一不可1 6 】。神经元是神经系统的基本 功能单位，一般由树突和轴突以及胞体三部分构成。其主要功能是感受刺激和传导兴奋， 并且对信号进行相应的加工。每个神经元的树突数目的多少与该神经元的种类以及承担 的功能有关【m 】。神经胶质细胞，不具有感受刺激和传导兴奋的功能，其细胞结构包含 有胞体和突起两大部分，且突起没有轴突与树突的区别，其数量一般为神经元数量的1 0 至5 0 倍。大量的神经胶质细胞有利于神经元的营养和保护，同时还对神经元具有支持 和绝缘的作用，并且可以构成血脑屏障【l m l 2 】。关于神经元的详细知识将会在下文中做详 细介绍。 撵籽憾燃料r。、 祧聪秒。一 黼臻 东南大学硕士学位论文 1 2 1 外周神经系统 外周神经系统是指脑和脊髓这些属于中枢神经系统以外的全部神经结构，具体包括 神经节、神经丛、神经干及神经末梢。相当于桥梁的外周神经系统，将中枢神经和各种 神经末梢联系起来，这样就能覆盖到其他各系统的器官【j 引。 外周神经系统包括1 2 对脑神经，这些神经纤维与人的大脑相连接，还有3 1 对脊神 经与人体的脊髓相连接。脊神经的分布范围比较广，进而能够支配周围的许多器官。按 照其支配范围进行划分可分为躯体神经，主要控制骨骼肌和内脏神经。其中内脏运动神 经就是人们常说的植物性神经，由于功能的差异，又可以分为交感神经和副交感神经， 共同对相关的内脏器官进行管理【1 4 。1 引。 外周神经的组成成分为神经纤维，这些纤维又构成了传入神经和传出神经，负责与 外界的沟通以及及时的信息反馈，对于人体功能有着重要的作用。 1 2 2 中枢神经系统 中枢神经系统位于人体的中轴上，主要包括脑和脊髓两部分。脊髓位于脊椎管中， 脑位于颅腔之中，中枢神经系统的区域中有大量的神经元，因此其信号感受与传递功能 都很强，是整个神经系统的中枢，并且可以支配外周神经【l 6 。 中枢神经系统内由于大量的神经元集中在同一区域，因此这些神经元形成无数网络 以及回路，可以接受人体各处的传入信号，对这些信号经过加工整合后重新输出，有一 些传入信号则会被中枢神经系统存储起来成为记忆或者学习的神经基础，人们比较抽象 的活动比如心理、思维等就是中枢神经系统形成的【l 。 脑位于颅腔内，是神经系统中最复杂的部分，由神经管的前端部分发育而成，脑部 可以划分为端脑、间脑、中脑、脑桥、小脑和延髓六个部分，而中脑，脑桥进而延髓则 又被合称为脑干。脑干中的灰质会缠绕成互相独立的神经核。延髓主要是控制呼吸以及 消化等自主活动，脑桥的可以将大脑的神经信号传递到小脑中去，小脑有两方面的作用： 一是对个体的运动进行控制和协调，二是对自主神经具有调节能力。间脑的作用在于可 以对躯体性、自主性以及内分泌功能进行整合，也是感觉信息的中继场所【1 引。大脑分为 两个半球，两个半球由胼胝体结构联接起来。半球的表层称为大脑皮层，全部由神经元 构成，内层为髓质部分。皮层的表面是褶皱状的沟回，所以大脑皮层的面积也就相对增 加，皮层的神经元也就相对较多【1 9 】。将大脑皮层按照不同的功能划分，可以分为躯体感 觉皮层、运动皮层、视皮层、听皮层和味皮层等。大脑皮层的结构具有特殊性，一共包 括6 层，且每层的神经元的种类不同。这六层细胞从内向外依次为多形细胞层、内锥细 胞层、内颗粒层、外椎体细胞层、外颗粒层和分子层。大脑皮层与脑的其他部分可以进 行电信号的交换，形成了许多信号通路。这为大脑皮层对其余器官的支配提供了物质基 础。人脑的结构如图1 4 所示。 4 第1 章绪论 图1 4 人脑的构造图 脊髓位于人体的脊柱的椎管之中，呈现节段性，其上端与脑的延髓相连接，下端截 止处为成人的第一腰椎下缘，长度范围为4 2 至4 5 厘米【2 0 j 。脊髓没有脑的分化程度高， 所以功能比较低。由于脊髓与3 l 对脊神经相互连接，而脊神经的分布覆盖了四肢和躯 干，所以脊髓和身体各部分的功能连接非常紧密，它相当于一个连接桥梁，四肢的许多 刺激需要通过脊髓传导进入脑部产生感觉，同时大脑也要利用脊髓将自身整合好的信号 导出。因此，脊髓一般是在脑的调控下完成相应活动，但是有许多反射活动是脊髓自己 完成的，并不需要脑的参与。脊髓一共分为3 1 段，也有3 1 个脊髓节，每个脊髓节都具 有不同的功能，其中c 5 和c 6 这两个脊髓节最容易受伤。 从脊柱的横断面可以看出，脊柱由灰质和白质两部分组成，神经元的胞体主要集中 在灰质当中，而轴突则聚集在白质中。脊髓起着脑与外周神经系统进行信息交换的功能， 可以将其接受到的信号传递到脑中等待处理，同时将经过大脑加工后的信号重新传出， 人体脊髓结构图如图1 5 所示。 图1 5 脊髓结构示意图 东南大学硕士学位论文 1 3 神经元结构及功能 1 3 1 神经元的基本结构 神经元是神经系统最重要的组成部分，人体中共有1 0 1 2 个神经元，这些神经元都具 有接受刺激、整合信息以及传导冲动的功能，同时也是情感，记忆等高级活动的物质基 础。神经系统中的神经胶质细胞负责神经元的营养、保护工作，与神经元互相协作完成 神经系统的正常运转2 1 。2 3 1 。在电镜下神经元的照片如图1 6 所示。 图1 6 高倍显微镜下的神经元照片 不同的神经元的形态也不同，但是神经元都由基本的三部分组成，即胞体、树突以 及轴突。神经元的组成结构如图1 7 所示。 树突 细j j 笆核 图1 7 神经元的组成结构 神经元的胞体部分是神经元的营养和代谢场所，由细胞膜、细胞核和细胞质组成。 胞体的形状以及大小跟神经元的种类有关，并且大小差距明显，大的直径可以达到 1 0 0 岬以上而小的胞体只有5 6 岬【2 4 】。 6 第l 章绪论 细胞膜：神经元的细胞膜与神经元的信号传递关系非常密切。它接受刺激，并对刺 激信息进行加工处理，然后产生神经冲动并且将产生的信号传导出去。细胞膜的这些特 性主要与其上含有的膜蛋白有关【2 5 1 。这些蛋白质中一部分是离子通道，可以允许n a + 离 子、g a 2 + 离子、c l 离子等通过，一部分膜蛋白的离子通透作用需要跟神经递质协同起来 才能发挥作用。 细胞质：神经元的细胞质在电镜下观察可发现有大量的尼氏体和神经元纤维。尼氏 体在在细胞质中分布均匀，有的呈现为斑块形，有的为细小的颗粒状。由于尼氏体上具 有内质网和核糖体，所以可以合成神经元自身活动所需要的蛋白质，最重要的是它可以 产生神经递质，而神经递质的是神经元信号传递的化学载体【2 6 。神经元纤维是由神经丝 以及微管组成。神经丝对于神经元的细胞骨架具有支撑作用，微管与神经元的物质传输 功能有关。 细胞核：电镜下，神经元的细胞核在胞体的正中央，形状大而圆，细胞核被一层核 膜保护，具有较多的常染色体，内部含有核仁。 轴突：轴突是神经元信息传导的主要载体，并且每个神经元只有一条轴突。轴突由 轴丘，轴膜以及轴质三部分组成。轴突的长短不一，且差距巨大：有些神经元的轴突仅 有几微米长而有些神经元的轴突可以超过一米。轴突的神经冲动传导功能与轴突的结构 有关。轴突与胞体相连的部分轴膜较厚，轴膜下含有电子密度较大，很容易引发神经冲 动，并且沿着轴突传递到末梢【2 7 枷】。轴突不但具有神经传递功能还具有物质运输能力， 微管在物质运输中发挥着重大作用。 树突：神经元的树突与轴突不同，一个神经元可以拥有多个树突，且这些树突呈树 枝状从树突干上分展开来，并且分支上还有大量的树突棘。树突的作用主要是感受并接 受周围环境的刺激，而众多的树突以及树突棘有效扩展了神经元接受刺激的面积，所以 神经元的信息整合能力与树突以及树突棘的数目以及扩展程度有关【3 。 1 3 2 神经元的分类 神经元的结构以及功能的不同为神经元的分类提供了依据，可以将神经元分为不同 的类型进行研究，总结不同类型的神经元所具有的特性。 突起数日分类法：根据不同神经元的突起数量的不同可分为： 假单极神经元：即在刚离开胞体位置处只有一个突起，但是很快便扩展为两条分支， 一个与中枢神经系统相连，一个与周围器官相连。 双极神经元：该类神经元只有一个轴突和一个树突。 多极神经元：顾名思义这种类型的神经元具有多个突起，树突可以有多个，但是都 只有一个轴突。图1 8 为含有不同突起的神经元。 7 东南大学硕士学位论文 双极神经元单极神经元多檄稗缝兀 图1 8 含有不同突起的神经元 轴突长度分类法：分类的依据是神经元的轴突的长短 高尔基一型神经元：该类型的神经元的特点是轴突很长，可以达到l m 以上，且神 经元的胞体较大。 高尔基二型神经元：该类型的神经元的特点是轴突较短，甚至只有几微米，神经元 的胞体也很小。 神经元功能分类法：按照神经元功能的不同进行分类。 感觉神经元：感觉神经元的作用是感受人体内外的化学物理刺激，并且将该刺激信 息经过整合后导入中枢神经系统。 运动神经元：运动神经元有很多的突起，并且与周围组织联系紧密，可以将神经冲 动传递给肌细胞或者腺体细胞，让相应组织发挥功能。 中间神经元：中间神经元主要是多极神经元，这些神经元与感受器以及效应器构成 了反射弧，对感受到的刺激信号进行加工和传导，并且通过突起连接着复杂的神经网络， 成为学习，记忆等功能的基础，人体的中间神经元数量巨大，占总的神经元数量的 9 9 【3 2 1 。 释放的神经递质调质分类法：神经元可以释放多种神经递质以及神经调质，据此可 以对神经元进行分类。每种神经元只能释放一种神经递质，同时可以释放一种神经调质。 胆碱能神经元：该类神经元可以释放乙酰胆碱。 胺能神经元：可释放多巴胺等。 去甲肾上腺素神经元：释放去甲肾上腺素。 氨基酸能神经元：可以释放谷氨酸以及甘氨酸等。 肽能神经元：可释放神经降压素，p 物质等。 1 3 3 突触 神经元之间以及神经元与相关的效应器之间的信息传递通道被称为突触。它是一种 特殊的细胞连接方式，将神经递质分子从一个神经元传递到另一个神经元或者从一个神 经元传递到肌肉细胞3 3 1 。 丫量警l 瓜 第l 苹绪论 对突触在电子显微镜下进行观察可知突触由三部分构成：突触前成分，突触间隙和 突触后成分。突触前成分和突触后成分又被分别称为突触前膜和突触后膜。这两部分相 对排列，之间的空隙宽度大约在1 5 至3 0 纳米【3 4 1 。 突触前膜：突触前膜呈球状，是神经元的轴突末梢部分，含有少量的微管和线粒体 等物质。突触前膜的特征性标志是其中含有突触小泡，突触小泡的大小和形状与突触小 泡中存有的神经递质有关【3 5 。3 6 1 。比如含有乙酰胆碱的突触小泡为圆形且颜色清亮而含有 氨基酸的突触小泡则为扁平状。突触小泡的膜上含有一种称为突触素的蛋白质，其作用 是将小泡和细胞骨架相连接。 突触间隙：突触问隙中含有一些化学物质，这些化学物质可以促进递质从突触前膜 向突触后膜传递，突触的传递过程就是突触前膜以胞吐的方式将含有递质的小泡先送入 突触间隙，再传递到突触后膜上，使突触后膜的结构发生相应的变化，打开对应的离子 通道【3 7 1 。 突触后膜：突触后膜与突触前膜的位置相对，膜的厚度比前膜大，并且突触后膜上 具有特殊的神经递质或者神经调质的受体以及离子通道【3 引。突触后膜上的受体与之相对 应的神经递质结合后，会使膜的两侧电荷分布出现变化，从而引起兴奋或者抑制。图1 9 是突触的超微结构图。 图1 9 突触的超微结构图 突触之间的链接方式共有三种：轴树突触，就是一个神经元的轴突和另一个神经 元的树突相连，信息从神经元的轴突传递给另一个神经元的树突；轴轴突触，就是两 个神经元的轴突互相接触；轴一胞体突触，即一个神经元的轴突和另一个神经元的胞体 相连接。具体连接如图1 1 0 所示。 9 东南大学硕士学位论文 图1 1 0 突触的三种不同形式：( a ) 轴树突触；( b ) 轴突胞体突触；( c ) 轴轴突触 突触按照其信息传递方式可以分为电突触和化学突触两种，电突触主要是缝隙连 接，并且该间隙很窄，突触小体中无突触小泡，信息的传递是以电流的方式实现的。因 为突触两侧的膜对称分布，可以形成通道让带电离子通过，这种方式在低等动物中比较 常见【3 9 1 。化学性突触即是人们常说的突触，该突触以神经递质为传导媒介，并且信息是 以单方向的形式传递的，电突触与化学突触不同可以实现信息的双向传递。 1 4 神经元的电信号传导机制 细胞膜相当于一个电学器件，表现出一定的电学特性，细胞膜具有膜电阻并且可以 快速的传递生物电信息，细胞膜的脂质双分子层可以等效为一个绝缘板，将含有电解质 的细胞内液与无电解质的细胞外液分开。脂质双层细胞膜具有较高的介电常数，因此该 细胞的电容较大。当细胞膜上的离子通道开放时，膜两侧的n a + ，k + ，c a 2 + ，c r 等离子 就会顺着细胞膜实现跨膜流动，形成电位差【4 0 也】。这与电容的充电放电原理是一样的， 这种跨膜电位被称为膜电位。膜电位可分为一般状态下的静息电位和细胞膜受到刺激时 幅值较大、传播速度较快的动作电位。 1 4 1 静息电位 静息电位是指当细胞在没有外界刺激情况下细胞膜两侧的电位差，通常表现为平稳 的直流电位。静息电位的记录方法为将无关的电极置于细胞外，将记录电极插入细胞内， 这种方法称为细胞内电位检测【4 3 】。不同的细胞的静息电位值是不同的，神经纤维的静息 电位一般为7 0 9 0 m v 。由于细胞静息时细胞膜两侧的电位表现为内负外正，即膜内电 位绝对值比膜外电位绝对值高出7 0 9 0 m v 。以静息电位为准，膜内负电位增大，称为 超极化。膜内负电位减小，称为去极化或除极化。细胞兴奋后，膜电位又恢复到极化状 态，称为复极化。 细胞的静息电位的测量方法如图1 1 1 所示。 1 0 少 求； 冀呵赣 卜f 旆 税步 第l 章绪论 图1 1 1 静息电位的测量方法 静息电位的产生主要由3 个因素决定：细胞内外各种离子的浓度差异较大，尤其是 k + ，内外之差可以达到3 0 倍；细胞膜对k + 和n 矿的通透选择性不一样，并且细胞膜在 静息状态下对于k + 的通透性大于n 矿的通透性；钠泵的活动水平对静息电位的影响也较 大，如果钠泵活动增强可使细胞产生去极化l 4 4 j 。 由于细胞中内外的k + 浓度差异较大，这类离子会顺着浓度差的方向在膜内外进行 扩散，由于离子带有电荷，这时细胞膜的两侧也会形成电位差，浓度差与电位差多产生 的驱动力互相对抗，直至达到新的平衡，这时不再有离子的跨膜运转，形成平衡电位。 可以看出静息电位主要是由于离子的跨膜运转产生的，但是细胞膜对于不同的离子的通 透性是不一样的，而该离子的平衡电位又会影响到静息电位，因此细胞膜对某一种离子 的通透性高，这种离子对静息电位的影响就越大，通透性越小则对静息电位的贡献也就 越小。由于细胞膜上的k + 离子通道是经常开放的，所以k + 离子的通透性是n a + 的l o 一1 0 0 倍。钠泵也会影响静息电位的产生，主要是通过维持细胞膜两侧的离子浓度差以及在其 分解一个a t p 时会排出3 个n a + 并吸入2 个k + 来影响静息电位【4 5 j 。 1 4 2 动作电位 动作电位是指细胞在受到刺激时，在静息电位的基础上产生的可以快速传导的膜电 位波动，动作电位是一个瞬态变化过程，电位幅值变化非常迅速。 不同的细胞接受刺激后的反应情况不一样，因此不同细胞的动作电位也不相同。峰 电位是动作电位的主要组成部分，也是不同动作电位的区分特征点。峰电位是细胞在受 到刺激后迅速去极化，表现为波形的快速上升，形成上升支，然后又迅速复极化，波形 回落，形成下降支，如此便形成了一个尖峰，也就是峰电位【4 6 1 。在峰电位后动作电位并 不会立即消失，会出现一个波形幅值相对较小，变化速度缓慢的波形，称之为后电位。 后电位有两部分组成，负后电位的幅值小于静息电位，正后电位的幅值则大于静息电位。 图1 1 2 为动作电位图。 + 量掰 0 脆 内 i 乜 寝 ( m v ) 一5 0 东南大学硕士学位论文 夔 电鼍) l 耳了l 川m 摹) 图1 1 2 动作电位示意图 与静息电位的产生机制相似，动作电位的形成基础可归纳为： 1 、细胞内外具有离子浓度差异，且胞内k + 的浓度要大于胞外。 2 、细胞膜在不同的条件下对于不同离子的通透效果不同。 3 、刺激的细胞具有兴奋性。 细胞在没有受到刺激时，细胞外的n a + 浓度大于细胞内，虽然n a + 有从细胞外进入 细胞内的趋势，但由于细胞膜上的n a + 离子通道还没有开放，因此不能顺利的进出。一 旦刺激阈值有效，少量的n a + 通道开放，离子可进入细胞内，表现为一定的去极化，这 个过程达到一定程度，大量的n a + 通道开放，在n a + 浓度差和内负外正的电压差的作用 下，n a + 大量流入，胞内正电位急剧上升，这就形成了动作电位的上升支，随着n a + 内 流的饱和，相应的n a + 通道失活，n a + 也不再流入细胞内，而此时细胞膜上的k + 通道打 开，由于细胞内的k + 浓度大于细胞外，所以k + 迅速外流，动作电位的值骤降，形成了 动作电位的下降支，这样就完成了一个去极化到复极化的全过程【4 7 1 。之后通过钠钾泵的 作用使原来的k + 和n a + 完全复位，恢复到静息电位水平。 动作电位具有“全或无”特点。所谓全或无特性即要使细胞产生动作电位，激励值 须大于阈值，阈值以下的激励值不能引发动作电位，在阈值以上的任何刺激所引发的动 作电位的水平是相同的。 由于全和无的特性，动作电位不能进行叠加。 动作电位一旦产生便会沿着神经元传导，在整个传导过程，动作电位的波形和能量 不会发生损失。 1 5 神经信号分析与处理的国内外研究现状 伴随着神经科学与工程的兴起以及国内生物医学工程产业的发展，神经信号的分析 与处理的研究也在不断向前推进，为科学实验以及临床治疗提供有力的理论依据和指导 信息。总结起来神经信号分析与处理在神经工程有以下几点意义： ( 1 ) 揭秘神经信号的传导路径； ( 2 ) 为进一步的科学研究做理论分析； 1 2 第l 章绪论 ( 3 ) 通过数学建模方法对生物体活动进行精确计算； ( 4 ) 通过算法处理进行有效信号的校正； ( 5 ) 提取有效信号并应用。 现在国内外有很多学者专家在致力于神经信号分析与处理的研究，新的理论与方法 层出不穷，为进一步的科学研究打下了坚实的理论基础，下面按照不同的方法进行介绍， 并且举例说明。 ( 1 ) 主成分分析法 主成分分析( p c a ) 是一种多元统计分析方法，又称为主分量分析法，该方法的目 的在于寻找一种特殊的线性组合方式，在这种组合方式下所得到的新变量之间是相互正 交的，而且有些数据的变异情况较大，体现了数据之间的差异。实质是对原数据进行降 维处理，用变换后的少数变量尽可能的反应原来的信息。 英国a s t o n 大学l o w e 研究组对脑电信道的结构提取进行了探究【4 引。他们对一组含 有大噪声的信号分别使用独立成分分析和主成分分析的方法进行去噪，然后比较两种方 法下同一组数据的信噪比，同时获得一个更健壮的、经得起神经网络考验的结构空间。 希腊1 1 1 e s s a l o n i l ( i 技术研究院d i 锄a n t a r a s 课题组对神经元模型和神经信号的盲源分 离进行了研究【4 9 】。他们通过理论推导和实验证明，标准的主成分分析模型可以通过时域 滤波器加上主成分分析等于盲信号分离这样一个等式完成。 电子科技大学尧德中课题组对脑电信号中眼电伪迹的去除进行了研究。该研究组提 出了一种将主成分分析( p c a ) 与频域滤波相互结合的方法来去除脑电中混入的眼电伪迹 【5 0 1 。具体过程为对眼电信号按频域特征对其进行滤波处理，得到了去除眼电干扰的脑电 信息，并将该眼电信号保存起来，再同经过主成分分析的眼电去除方法处理后的数据进 行相关性分析，得到回归分析的衰减因子，通过此种方法可以有效的将脑电中的眼电伪 迹去除。主成分分析过程如图l 一1 3 所示。 图1 1 3 主成分分析示意图 1 3 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 独立成分分析 独立成分分析( i c a ) 最初是研究鸡尾