基于恒流源的大鼠神经刺激系统的研制

【摘要】基于脑机接口(Brain-ComputerInterface)的动物机器人技术以其诸多优点在多个领域都有较好的应用前景,其中大鼠机器人在国内外有较多的研究成果。刺激器是大鼠机器人系统中非常核心的部分。论文设计了恒流低功耗刺激系统,旨在利用电刺激大鼠脑区来进行行为控制,刺激器的电性能目标为：恒流刺激方式,刺激强度精确,波形时序可调,具有无线通讯方式,体积小,重量轻,功耗低。基于此要求论文提出了设计方案：基于AD620的高精度恒流源输出电路作为刺激模块,实现电流波形强度、频率、脉宽可调整。采用C8051F007为主控制器的CPU模块,结合了蓝牙通讯方式,具有较高的系统集成度。采用基于DC-DC升压技术的电源方案,有效提高了电池使用效率。研究了基于状态机编程方法的嵌入式软件设计,有效地节省了单片机片内资源的消耗,降低了单片机运行频率,从而进一步降低功耗。刺激器的设计结果为：刺激器的平均工作电流低于30mA,在80mAh小体积锂电池供电条件下满足实验需求。刺激器(包含电池)最终重量为12.7g,体积为34*25*14mm。电性能测试表明,刺激器的输出波形、恒流效果、功耗均达到了设计要求。共制作了9台刺激器,性能指标基本一致,其中4台进行了长达一年的多种脑机接口实验应用,均工作正常。实验设计方面。刺激器样机进行了大鼠愉悦区(MFB)刺激强度和刺激效应实验,实验结果表明在1mA峰-峰值下具有最好的效果。对三只大鼠进行了不同刺激强度下多重刺激阻抗变化测量实验,发现脑区阻抗随刺激增强而下降的规律。刺激器在大鼠压杆实验与八臂迷宫实验中获得了90%以上的成功率。实验与测试结果表明,刺激器性能指标、工作稳定性满足设计要求,适合大鼠脑机接口的应用,恒流刺激器为进一步定量科学研究提供了准确的实验平台。已经在大鼠机器人控制、大鼠癫痫模型研究等相关研究领域得到应用。
【作者】陈希；
【导师】王怡雯；叶树明；
【作者基本信息】浙江大学，生物医学工程，2014，硕士
【关键词】神经刺激器；恒流；大鼠机器人；低功耗；

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