基于ZYNQ的同步脑电-经颅交流电刺激伪影抑制系统设计.pdfVIP

摘要

摘要

经颅电流刺激，包括经颅直流电刺激、经颅交流电刺激和经颅随机噪声刺激，

其中经颅交流电刺激是一种广泛使用的非侵入性脑刺激技术。研究表明，经颅交

流电刺激对人体大脑具有一定的调控功能，然而，在经颅交流电刺激同步脑电信

号采集过程中，经颅交流电刺激所带来的经颅交流电刺激伪影限制了对经颅交流

电刺激调控人体大脑效果地评估。当前有很多研究是在采集到经颅交流电刺激脑

电信号之后，进行离线地经颅交流电刺激伪影抑制，然后将经颅交流电刺激伪影

离线抑制后的脑电信号与无刺激脑电信号进行对比分析，来评估经颅交流电刺激

的调控效果。本文针对经颅交流电刺激伪影同步抑制，分析对比不同经颅交流电

刺激伪影同步抑制算法的优缺点，然后平衡了系统运算效率与逻辑运算资源限制

之后，基于实验室已经开发的嵌入式脑电信号采集硬件平台，分别使用同步抑制

经颅交流电刺激伪影的移动平均叠加算法和主成分分析算法，构建了一个能够同

步抑制8通道经颅交流电刺激伪影的同步脑电-经颅交流电刺激伪影抑制系统。

首先，本文对系统所采用的经颅交流电刺激伪影同步抑制的移动平均叠加算

法和主成分分析算法进行了基于无刺激脑电信号地模拟验证，验证了本文所选用

的经颅交流电刺激伪影抑制算法的可靠性。在此基础上，本文进行了系统整体地

搭建，以Xilinx公司的ZYNQ芯片作为核心处理单元，该芯片具有全可编程片上

系统的特点，支持软硬件协同工作。基于芯片特点本文分别构建了系统的可编程

逻辑部分和处理系统部分，在可编程逻辑部分，运用了高层次综合技术，高层次

综合技术可以将高级编程语言转化为硬件描述语言。基于高层次综合技术工具设

计并实现了移动平均叠加算法和主成分分析算法的IP核，在两个算法IP核设计过

程中，对两个算法进行了并行运算优化，然后使用Vivado工具设计了数据采集IP

核，最后将不同IP核进行片上系统集成。在处理系统部分，针对数据采集和数据

处理的IP核，本文开发了相应的驱动程序，然后基于驱动程序开发了系统整体运

行程序，系统整体运行程序使得系统中的可编程逻辑部分和处理系统部分协同工

作。在系统整体开发过程中，使用MATLAB软件对系统各个部分的数值计算可靠

性进行了验证。

最后，为了验证本系统在经颅交流电刺激同步脑电信号采集时，能可靠地同

步抑制经颅交流电刺激产生的经颅交流电刺激伪影，设计了静息状态下基于10Hz，

幅值最大值为0.5mA经颅交流电刺激的同步脑电-经颅交流电刺激伪影同步抑制实

验，对在实验过程中采集到的未施加经颅交流电刺激、施加经颅交流电刺激以及

I

摘要

经过本文设计的系统同步抑制经颅交流电刺激伪影后的脑电信号进行了分析对比，

结果证明，本系统在同步脑电-经颅交流电刺激伪影抑制方面具有一定的可靠性。

关键词：同步脑电-电刺激，电刺激伪影抑制，高层次综合技术

II

ABSTRACT

ABSTRACT

Transcranialelectricalstimulation,includingtranscranialdirectcurrentstimulation,

transcranialalternatingcurrentstimulation,andtranscranialrandomnoisestimulation,

amongwhichtranscranialalternatingcurrentstimulationisawidelyusednon-invasive

brainstimulationtechnique.Studieshaveshownthattranscranialalternatingcurrentstim-

ulationcanmodulatebrainfunctionstoacertainextent.However,artifactsintroducedby

transcranialalternatingcu