癲癇樣放電狀態(tài)建模與控制的研究.pdf

1、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：61374182)天津大學(xué)碩士學(xué)位論文癲癇樣放電狀態(tài)建模與控制的研究TheModelingandControlofEpilepticDischargeState(申請(qǐng)碩士學(xué)位)學(xué)科專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程研究生：任凱麗指導(dǎo)教師：曹玉珍副教授天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院二零一五年十二月摘要電刺激是治療癲癇的一種有效方法，臨床效果較好，但是其作用機(jī)制尚不明確。目前，臨床上的電刺激療法大多為開環(huán)刺激，靈活性和適

2、應(yīng)性不夠。本文提出一種基于模型的閉環(huán)電刺激方案，從機(jī)制、建模及控制三個(gè)方面研究閉環(huán)電刺激：首先，構(gòu)建癲癇發(fā)作區(qū)域的生理模型進(jìn)行機(jī)制分析，并對(duì)癲癇樣放電狀態(tài)進(jìn)行抑制。采用神經(jīng)集群建模方法，通過分析其動(dòng)力學(xué)特性，研究興奮性突觸增益和集群耦合強(qiáng)度對(duì)神經(jīng)元集群放電和波形傳播的影響，以探索癲癇的發(fā)病機(jī)制，得到表示發(fā)作狀態(tài)的輸出信號(hào)特征；應(yīng)用反饋線性化控制和無(wú)跡卡爾曼濾波相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)癲癇發(fā)作狀態(tài)的抑制。其次，建立正常態(tài)和癲癇態(tài)的Volterr

3、a模型，并實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)估計(jì)。通過定義辨識(shí)性能指標(biāo)，采用參數(shù)遍歷法選取使指標(biāo)值最優(yōu)的參數(shù)，從而獲得最合適的模型階數(shù)，辨識(shí)輸入及模型結(jié)構(gòu)參數(shù)；給定模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)后，由神經(jīng)集群模型產(chǎn)生輸入輸出數(shù)據(jù)，對(duì)正常態(tài)和癲癇態(tài)進(jìn)行建模；同時(shí)對(duì)多耦合神經(jīng)集群模型的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行建模，為后續(xù)控制器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。最后，根據(jù)所建的Volterra模型，采用預(yù)測(cè)控制方法實(shí)現(xiàn)癲癇狀態(tài)的抑制。辨識(shí)得到的Volterra模型作為模型預(yù)測(cè)控制算法中的過程模型，用于預(yù)測(cè)過

4、程輸出；之后，模型預(yù)測(cè)控制算法設(shè)計(jì)控制信號(hào)并施加于神經(jīng)集群模型上，實(shí)現(xiàn)癲癇態(tài)放電的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，抑制癲癇樣放電的進(jìn)一步傳播：與反饋線性化控制進(jìn)行比較，證明預(yù)測(cè)控制方法的有效性。本文提出的基于模型的閉環(huán)電刺激方案不過分依賴于準(zhǔn)確的生理模型，僅僅需要輸入輸出數(shù)據(jù)，便可實(shí)現(xiàn)癲癇狀態(tài)快速有效的控制。仿真結(jié)果證實(shí)了該策略的有效性及潛在優(yōu)勢(shì)。本文的研究結(jié)果為進(jìn)一步研究癲癇的電刺激療法奠定了基礎(chǔ)，為癲癇控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病