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首页tDCS刺激时长对皮层活跃度影响研究:结合运动想象的脑电特征分析
"基于运动想象脑电特征分析的经颅直流电刺激(tDCS)时长对皮层活跃度影响研究的毕业论文。" 这篇毕业论文主要探讨了tDCS与运动想象(MI)联合疗法在调节脑皮层活跃度中的作用,特别是tDCS刺激时长对效果的影响。tDCS是一种非侵入性的神经调控技术,常用于改变大脑皮层的兴奋性,而MI则是一种无动作的神经活动,通过想象运动来激活相关的脑区。两者结合可能有助于提升神经可塑性和加速运动功能恢复。 论文首先设计了一个实验方案,设置了三个电流强度(1、1.5和2mA)下的四种不同刺激时长(10、15、20和25分钟),采用阳极刺激C3区,以研究不同参数组合对运动皮层活跃度的影响。实验过程中,使用了脑电信号采集设备记录刺激前后的EEG数据,并通过经颅直流电刺激仪施加刺激。预处理数据的工具包括EEGLab和Matlab,它们能有效去除噪声,提取有价值的信号。 在特征选择方面,论文选取了ERD、SampEn、PSD和IE这四个脑电特征作为皮层活跃度的指标。通过对50份小样本数据的分析,发现在tDCS和MI联合实验后,这四个特征值显著增加,表明阳极刺激增强了皮层活跃度,这些特征被证明是有效的度量标准。 为了应对大量数据的处理需求,论文还开发了一款基于Web的应用程序,专门用于批量提取这四种EEG特征。这一工具的创建,不仅提高了工作效率,也为后续大规模数据的分析和研究提供了便利。 这篇论文通过科学严谨的方法,深入研究了tDCS刺激时长对大脑皮层活跃度的影响,为优化治疗方案提供了理论依据。其研究结果对于理解大脑神经调节机制,以及未来在神经康复、认知训练等领域有着重要的实践意义。
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环节节省时间成本。
(2) 经颅直流电刺激时长对脑运动皮层活跃度影响研究。对经颅直流电刺
激时长的研究,可以为基于经颅直流电刺激的运动功能障碍康复训练提供更精
准的刺激时长参数设置,达到更好的康复疗效。对不同电流强度实验中获取到
四种刺激时长的全部脑电信号的四个特征值变化量数据进行统计分析。实验结
果显示,20 min 刺激的增强效果远好于 10 min、15 min 和 25 min,而 25 min 刺
激的增强效果最弱,甚至出现抑制皮层活跃度的现象。电流强度的改变不影响
最佳刺激时间,以及 25 min 出现刺激效果减弱的现象。研究表明,在一定的时
间范围内,刺激效果随刺激时长的增加而增强,但超过一定阈值后,刺激效果
会开始迅速减弱,甚至出现逆转刺激后效应的方向,最终抑制皮层活跃度。因
此,在利用经颅直流电刺激技术进行康复训练时不能盲目选择长时间刺激,而
是要选取合适的刺激时长以达到最好的康复疗效。
图 1.5 本文研究技术路线图
本文组织结构:
本文共分成六章,组织结构如图 1.6 所示。
第一章:绪论。首先对本课题的研究背景和意义进行介绍。其次,对经颅
直流电刺激刺激作用的生理机制进行阐述,然后对国内外运动想象和 tDCS 联合
研究的现状进行介绍。最后,介绍了文章的主要研究内容和组织结构。
第二章:tDCS 与 MI 联合的实验环境搭建以及实施。首先对脑电信号的大
脑结构和运动功能分区,脑电信号分类和选取理由进行介绍。其次,对实验方
案进行设计,并介绍了实验对象的基本信息,实验设备的信息和参数设置以及
实验实施的具体流程。然后描述了脑电信号预处理的各个环节,最后对单通道
脑电信号的伪迹去除算法 EEMD-ICA 进行介绍。
第三章:EEG 特征提取。本章主要先对特征选取的理由以及 ERD、SampEn、
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PSD 和 IE 特征的原理进行介绍。其次,实现了 Matlab 提取四个特征的算法,并
对提取的特征进行配对样本 t 检验分析,证实四个特征作为脑皮层活跃度测度的
有效性。然后,基于实现对批量实验数据提取特征的目的,对基于 Web 应用的
特征提取系统进行需求分析。最后,对系统的前端事务逻辑、后端事务逻辑以
及前后端数据交互方面提出设计方案。
第四章:基于 Web 应用的 EEG 特征提取系统实现。本章首先说明了本系统
的开发环境。然后,对前端界面、后端核心功能以及前后端数据交互的实现进
行详细介绍。最后,对系统分别进行功能测试、结果可信度测试以及性能测试。
第五章:经颅直流电刺激时长对脑运动皮层活跃度的影响研究。本章首先
介绍了配对样本 t 检验和单因素方差分析方法的原理。其次,对 1.5 mA 电流强
度下的四种刺激时长的 EEG 信号数据进行特征提取,并通过单因素方差分析研
究刺激时长对皮层活跃度的影响。然后,对 1 mA 和 2 mA 电流强度下的四种刺
激时长的 EEG 信号进行相同的特征提取和单因素方差分析,研究不同电流强度
下,刺激时长对皮层活跃度影响是否具有一致性。接着,在 3 种电流强度下,
对 25 min 刺激前后的 EEG 数据进行配对 t 检验,同时对变化量进行电流强度的
单因素方差分析。最后针对本次实验得到的结果,从神经生理学角度阐述该结
果产生的原因。
第六章:总结与展望。总结了本文的研究工作,分析本文研究的不足之处,
并提出未来工作的展望。
图 1.6 文章组织结构
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第 2 章 tDCS 与 MI 联合的实验环境构建
2.1 脑电信号概述
脑电信号是一种头皮电位差与时间的关系图,它通过大脑处于活跃状态时
大量神经元同时产生的突触后电位的总和形成的电生理指标对大脑活动作出反
应。如图 2.1 所示,脑电信号记录了大脑活动中随时间变化的电波,反映了大脑
神经元在皮层或头皮表面的整体电生理活动。
图 2.1 左右手运动想象脑电图
2.1.1 大脑结构及功能分区
大脑控制着我们身体的内部功能。它还整合了感觉冲动和信息,以形成感
知、思想和记忆。大脑提供了自我意识、语言和运动的能力。主要分成四个区
域:大脑及大脑皮层使我们具有控制行为的自主意识。间脑协调感觉、管理情
绪并控制整个内部系统。小脑调节身体运动、言语协调和平衡,脑干则传递来
自脊髓的信号并引导基本内部功能和反射。大脑是最大的脑结构和前脑的一部
分,大脑结构如图 2.2 所示。
图 2.2 大脑结构图
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大脑皮层组织主要包含神经元细胞体,其褶皱和裂隙(称作沟与回)让大脑
有了标志性的褶皱表面。大脑皮层分左半球和右半球。每个半球分成四个叶:
额叶、颞叶、枕叶和顶叶。
额叶在自主行为中产生重要作用,包括判断当前行为的后果,各种行为之
间的抉择,控制反应以及分辨事物同异等。本次实验主要针对脑运动功能进行
研究,故需对大脑皮层中的运动皮层具有一定的了解。位于额叶的中央前回后
部的运动皮层(Motor Cortex)在大脑皮层中负责控制自主运动。运动皮层分成三
个主要区域:初级运动皮层、前运动区以及运动辅助区。各自功能大致如下:
(1) 初级运动皮层:是最主要的产生运动性神经冲动的区域。负责与其它脑
部运动区域相互配合,控制人体运动。在初级运动皮层中,运动控制区域反向
有序排列,控制脚趾的区域位于大脑半球的顶端,控制嘴部的区域则位于中央
沟附近,并且一侧的大脑半球控制身体另一侧的运动。
(2) 前运动区(Premotor Cortex): 是与躯体,四肢,面部等的运动密切相关的
区域。负责控制运动的某些方面,包括运动的准备、运动中的感觉导向、空间
导向以及身体的近端和躯干肌肉所参与的部分运动。
(3) 运动辅助区(Supplementary Motor Cortex, SMC):是与运动计划相关的区
域。负责对运动的内在规划、对动作次序前后的组织以及身体两侧的协调等动
物体自发和控制的运动,而不是在外界刺激下所产生的运动。
2.1.2 脑电信号分类与选取
脑电信号能够实时反映人在行动、思考以及产生情绪时的生物电信号,其
特征会因时间和状态的不同而不同。信号的频率、波形、幅值等特征一般是研
究人员对脑电信号进行分析的依据。在目前主流的实验研究和临床研究中,
0.5~30Hz 是脑电信号研究频率的大致分布范围,按照频率可分成如下四个节律
[42]
:
(1) Delta 节律:频率范围为 0.5~4Hz,高振幅,通常与深层次的放松和恢
复性睡眠相关,是人类史上有记录的最慢的脑电波,在清醒状态下,该节律一
般无法被检测到。
(2) Theta 节律:频率范围为 4~8Hz,当处于白日梦或者即将入睡时,通常
会检测到该节律,而且该节律有助于提升人的创造力、整体性和直觉,但是其
活动过多会容易使人出现抑郁症的情况。
(3) Alpha 节律:频率范围为 8~14Hz,通常在头的后部以及两侧存在。当
人处于休息状态下,枕叶区产生的 EEG 信号中可以检测到该节律。Alpha 节律
根据产生的位置不同可以分为运动皮层区和枕叶或视觉皮层区的两种振荡。前
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