基于虚拟现实环境的脑机接口技术研究进展

将脑-机接口(brain-computer interface,BCI)技术与虚拟现实(virtual reality,VR)相结合构成基于虚拟现实的脑-机接口(BCI-VR)新技术是最近在多媒体和娱乐领域出现的一种BCI应用新模式。BCI-VR兼取两者优势互补,同时又相互促进创新,显示出广阔应用前景。本文从BCI-VR系统基本构成、BCI对VR控制和VR对BCI影响等方面,较详细介绍了近年来BCI-VR的主要研究方法、研究进展和成就,并根据作者体会小结了目前存在的难点与未来的可能发展动向,以与读者交流、共同促进BCI-VR新技术的快速发展。     

脑机接口技术研究综述

脑机接口技术(brain computer interface,BCI)不依赖于常规大脑信息输出通路,该技术建立了一种直接的信息交流和控制通道,为人脑和外界之间提供了一种全新的交互方式。简要介绍了BCI技术的定义和基本组成及发展现状,并对皮层慢电位、视觉诱发电位、眼动产生的α波、P300电位和基于运动想象的μ节律及β波5种脑机接口技术的研究方向作了简要阐述,最后指出目前BCI研究面临的挑战及未来的应用前景。     

基于小波变换的混沌信号相空间重构研究

应用小波变换和非线性动力学方法研究了混沌信号在相空间中的行为，指出混沌时间序 列的小波变换实质上是在重构的相空间中，混沌吸引子向小波滤波器向量所张的空间中的投 影，与Packard等人提出的相空间重构方法本质上是一致的.实验结果表明，混沌信号经过 小波变换后，吸引子轨迹与原有轨迹具有相似的结构，同时，系统的关联维数、Kolmogorov 熵等非线性不变量仍然得到保留.这些结果表明，利用小波变换研究混沌信号是有效的. 关键词： 小波变换 相空间重构 混沌信号 脑电信号     

近红外光谱监测体外循环手术中脑组织氧合状况的研究

体外循环手术中,为防止因脑氧供需失衡导致脑缺氧,就要实时监测患者局部脑组织的氧合状况,以根据其变化调整生理参数或采取应急手段。用该研究小组自行研制的近红外仪器(使用一个双波长的近红外光源和两个近红外检测器)监测心脏手术中患者的脑氧,可以求出局部脑组织血红蛋白浓度的变化,并根据稳态空间分辨光谱(SRS)算法求出局部脑组织的氧饱和度(rSO₂)。体外循环中用监护仪监测患者的混合静脉血氧饱和度(SvO₂)等生理参数。测得的血红蛋白浓度变化容易受到干扰,而rSO₂的抗干扰性能较好。rSO₂在整个手术过程中都可以监测到,而SvO₂只能在体外循环过程中监测到。多数患者rSO₂和SvO₂存在正向相关性,但二者的相关系数并不很高。这是因为SvO₂是大静脉的血氧饱和度,而测得的rSO₂反映局部脑组织的氧合状况,二者的生理意义不同。实验结果表明,体外循环手术中rSO₂可以反映患者脑组织氧合状况的变化,而仅仅监测SvO₂是不够的。     

THE MAGNETIC POTENTIAL FOR THE ELLIPSOIDAL MEG PROBLEM

In magnetoencephalography （MEG） a primary current is activated within a bounded conductive medium, i.e., the head. The primary current excites an induction current and the total （primary plus induction） current generates a magnetic field which, outside the conductor, is irrotational and solenoidal. Consequently, the exterior magnetic field can be expressed as the gradient of a harmonic function, known as the magnetic potential. We show that for the case of a triaxial ellipsoidal conductor this potential is obtained by using integration along a specific path which is dictated by the geometrical characteristics of the ellipsoidal system as well as by utilizing special properties of ellipsoidal harmonics. The vector potential representation of the magnetic field is also obtained.     

HPPH光动力学治疗大鼠C6脑胶质瘤实验研究的磁共振弥散成像DWI的表现

目的: 研究不同剂量新型叶绿素光敏剂HPPH光动力学疗法治疗大鼠C6脑胶质细胞移植瘤模型, 无创观察磁共振波谱技术(DWI)变化、评价疗效及选择光敏剂HPPH最佳治疗剂量并与常规光敏剂血卟啉衍化物(HPD)光动力学治疗及对照组作对比。方法: 建立大鼠C 6脑胶质瘤移植瘤模型, 以不同剂量新型叶绿素光敏剂HPPH(0.15、0.3、0.45 mg/kg)光动力学治疗, 尾静脉注药后18 h, 以波长667 nm激光照射大鼠脑肿瘤, 照射功率密度200 mW/cm2, 照射时间20 min, 能量密度240 J/cm2, 于治疗前、治疗后7、14天(P0、P7、P14), 即肿瘤接种后第7、14、21天(T7、T14、T21天),以磁共振平扫、增强扫描及弥散技术(DWI)无创测定肿瘤大小及ADC值。并与HPD-PDT、正常脑、对照组(未治疗、单注药、单照激光)肿瘤组的ADC值作对比。最后以病理验证。结果: ADC均值正常脑在406.01±53.59-436.25±50.23间, 未治疗脑肿瘤组均值T7天、T14天、T21天分别为738±219.57、 660.65±105.32、551.37±103.58, 由于肿瘤长大, 肿瘤细胞数的增加使弥散成像ADC值下降。各单注药、单激光对照组的变化同未治疗空白组规律相似。T检验, 各未光动力学治疗对照组间比P值＞0.05无明显差异, 与正常脑比P值＜0.05有显著差异。光动力学治疗组P0组与未治疗对照组相似ADC均值在609.78～705.96之间; P7天, ADC均值由于治疗后脑组织的水肿均有升高, 以HPPH0.30、0.45 mg/kg-PDT组均值上升较多(782.2±95.6、779.01±291.1),其次HPPH 0.15 mg/kg-PDT组(765.22±110.13), HPD-PDT组降低一些(644.13±94.17); P14天, ADC均值明显下降, 由于肿瘤细胞光动力学治疗后的凋亡、死亡,ADC均值下降, HPPH0.30、0.45 mg/kg-PDT组435.86±46.04、429.34±70.05接近正常脑值;HPPH 0.15 mg/kg-PDT组稍高619.98±93.49, HPD-PDT组550.13±94.48, 这两组由于肿瘤细胞的凋亡死亡较差, 有较多的肿瘤细胞存在, 影响弥散值, HPPH0.15mg/kg-PDT组ADC值高于HPD-PDT组, 肿瘤细胞较后者少。各组ADC值T检验, 光动力学治疗组间HPPH0.30、0.45 mg/kg-PDT两组比P＞0.05无显著差别, 上两组与HPPH0.15 mg/kg-PDT、HPD5 mg/kg-PDT, P值＜0.05有显著的差别, 与正常脑比P值＞0.05无显著差异, 与未光动力学治疗对照组比P值＜0.05有显著差别;HPPH 0.15mg/kg-PDT、HPD5 mg/kg-PDT二组间比, P值＞0.05无显著差别, 上两组与正常脑比, P值＜0.05有显著差异, 与未光动力学治疗对照组比, P值＞0.05无显著差别。以磁共振增强测定各组肿瘤体积, P14/、P0 HPPH0.15、0.30、0.45 mg/kg-PDT组、HPD5 mg/kg-PDT组均值为4.43±4.8、0.37±0.25、0.71±0.42、8.31±1.56;对照组T21/T7单注药HPPH0.45 mg/kg组, 单注药HPD5 mg/kg组、单670 nm激光照射组、单630 nm激光照射组、未治疗肿瘤组为17.01±0.36、16.66±0.31、18.37±0.47、17.66±0.04、20.24±1.75. 大鼠脑接种肿瘤第21天病理表现正常脑组织仅见神经元细胞及胶质细胞;而接种C6胶质细胞瘤后大鼠脑可见大片密集成巢状生长, 色深、大小不一、有核分裂的肿瘤细胞, 随着肿瘤生长时间的增加, 肿瘤细胞的密度加大。未光动力学治疗组的病理表现与上相同。光动力治疗后可见肿瘤细胞变性、色变淡、细胞密度减少, 脑组织水肿及毛细血管扩张, 程度与光敏剂HPPH的剂量有关, HPPH 0.15 mg/kg-PDT较差一些、而HPPH 0.30、0.45 mg/kg-PDT 较明显、有的只有少量的肿瘤细胞, 仅可见正常脑神经元细胞及胶质细胞;而HPD-PDT后的脑肿瘤细胞变性程度较HPPH-PDT更差一些, 标本中仍可见较多的肿瘤细胞。结论: 磁共振增强、DWI技术能在无创情况下动态观察接种C6脑胶质瘤后大鼠脑组织内胶质瘤的生长情况, 了解肿瘤细胞的凋亡情况以及肿瘤细胞密集区域, 测量肿瘤肿块大小。 HPPH-PDT能治疗大鼠C6脑胶质瘤移植瘤, 光敏剂剂量以 HPPH 0.30 mg/kg较佳。HPPH-PDT疗效优于HPD-PDT。     

一款应用于脑活动探测的宽带天线系统设计

为利用微波传输法对大脑活动进行探测,提出了一款应用于大脑活动探测的宽带天线.该天线单元为微带单极子天线,由开槽矩形宽缝、三角形贴片极子和反射板构成,采用微带线馈电,直接与人体头组织介质匹配,经过仿真优化,该天线-10 dB回波损耗带宽覆盖了工作频率范围2.3~8 GHz.并仿真分析了大脑内的电磁能量传输特性及电场分布,结果显示介质匹配天线相比普通天线在头颅内具有更好的穿透能力,在大脑皮层和深部脑区仍存在较强的电场强度.最后对此宽带天线进行了加工测试,实测数据与仿真结果基本吻合.该天线单元尺寸小、结构简单、易加工,能够很好地满足微波传输法探测大脑活动技术中头部共形天线阵列的设计要求.     

基于脑电和眼电的运动想象多尺度识别方法研究

基于脑电信号对同一肢体不同动作想象模式进行识别的正确率低,已成为基于脑机接口对肢体瘫痪患者进行运动想象训练监控的方法,获得临床应用前必须解决的瓶颈问题.针对该问题,本文提出一种利用运动想象时眼睛的活动状态与所想象肢体动作之间存在的耦合关系,进行运动想象多尺度识别的新方法.该方法首先在大尺度上,利用脑电信号对运动想象是否发生进行识别,再结合同一运动想象过程眼电信号协同变化模式的识别结果,基于决策融合在更精细的尺度上,对同一肢体不同动作的想象模式进行识别.实验结果表明,仅基于脑电进行右臂三种动作想象模式识别的平均正确率为63.0%,而应用所提出方法可以将其提高到91.4%.所提出方法可望有临床应用前景.     

麻醉深度监测系统的优化算法研究

麻醉深度监测对提高麻醉质量,保障患者的手术期安全与康复具有极为重要的意义。系统地回顾了脑电信号分析算法,主要包括脑电双频指数、麻醉趋势指数、脑状态指数等多种不同参数的算法在麻醉深度监测中的应用研究及进展情况。首先比较了这些参数的脑电分析算法在临床应用中的优缺点,接着提出了具有优秀去噪能力的排序熵指数算法,并引入反向映射神经网络对脑电双频指数、麻醉趋势和排序熵指数进行校正优化,以便更精确地实现麻醉深度监护。最后展望了今后其应用于麻醉深度监测领域的发展前景。     

分段滤波用于消除脉搏血氧检测中多种运动干扰的研究

脉搏血氧饱和度检测仪可以无损、实时地检测动脉血液中的含氧百分比,从而快速对人体的呼吸状况以及心肺功能作出判断,但其检测精度极易受到测试部位运动的影响.人体测试部位的运动大致可以分为突发性运动干扰以及周期性的运动干扰.突发性干扰表现在局部脉搏波的波形突变上,而周期性的干扰体现在多个局部脉搏波的波形的周期性变化上.文章有针对性地提出了一种将微分阈值分段与迭带中值滤波相结合的方法来剔除突发扰动的方法,并且在上诉方法上再加上一级多点移动平滑以消除周期性运动干扰.实验证明该方法在消除多种运动伪差上有着较好的效果,且该方法计算简单,易于实现,有着一定的实际应用价值.