1、 毕业设计毕业设计(论文论文)开题报告开题报告 题目：题目：生物电信号探测系统生物电信号探测系统-微电极阵列设计微电极阵列设计 院（系）院（系） 电子信息工程学院电子信息工程学院 专专 业业 生物医学工程生物医学工程 2013 年年 03 月月 11 日日 1.1.课题综述课题综述 1.11.1 课题研究背景课题研究背景 在现代生物医学研究和应用中，往往需要进行生物电信号的提取。一般情况 下可以通过电极采用一定的导联方式来提取生物电信号，然后经特定的信号调理 电路进行放大、去噪等处理后再对信号进行特征识别。神经电信号是生物电现象 中的一种，综合反应了神经系统的功能。神经电信号的提取及处理多年来
2、一直是 不少学者不懈努力进行着的研究领域， 因此对神经元群体开展全面、 准确、 实时、 同步的检测，能够获得更为全面、有效的数据，为进一步揭示神经信号传递、编 码与解码的本质提供可靠的帮助。 传统的神经电生理信号检测手段可分3 类： (1) 膜片钳记录、(2)胞内记录、(3)胞外记录。检测电极大都是以金属微丝和玻璃微 电极为主，存在检测通道数少，操作繁琐等缺点。随着电子技术和微机械加工技 术的发展，微电极阵列（Microelectrode Array, MEA）技术作为一种对传统方 法的加强，它可以对神经元集群进行同步、实时、高通量、无损伤和长时程测量， 为神经元网络的研究提供有效的手段。 1
3、.21.2国内外研究情况国内外研究情况 自20世纪60年代开始，国际上诸多研究机构和大学的科学家在神经微电极的 研制上投入了大量精力，并取得了一系列进展。 1.2.11.2.1国外研究情况国外研究情况 1972年，Thomas等德国科学家首次设计了MEA，并成功检测到了离体培养的 鸡胚胎心肌细胞胞外电信号。他们在玻璃基地上沉积了Au/Ni复合金属层，以光 刻胶为钝化层，制作了直径为7m的152的电极阵列。之后，Cross小组设计了 36电极的阵列对蜗牛脑神经节的电生理进行了分析。 2010年意大利理工学院神经科学与脑科学系的L.Berdondini等人在 Biosensors and Bioe
4、lectronics发表论文报道了一种制作在硅衬底上的高密度 MEA。他们利用制作完成的MEA进行了多通道脑皮层神经元电信号测试实验，并通 过功能连通性分析总结不同通道电极探测到的信号之间的相互联系，从而评估电 极的空间分辨率对通道之间串扰的关系。 1.2.21.2.2国内研究情况国内研究情况 相对于国外在MEA方面的研究，国内在这方面的研究较晚，但通过国内科学 家等研究人员在MEA方面的研究，也取得了不错的研究成果。 2012年，浙江大学王平教授研究小组为了探讨生物嗅觉传感系统气味识别的 可行性,构建了基于MEA传感器植入大鼠嗅球构成的嗅觉传感系统,研究记录了浓 度为10 mM的异丁醇、苯甲
5、醚、香芹酮和柠檬醛4种气味刺激引起的嗅球僧帽层低 频场电位信号,采用多窗谱估计算法和移动窗技术结合得到随时间分布的功率谱 密度图。实验结果表明该嗅觉传感系统结合多窗谱估计时频图与K最邻近分类算 法可以初步实现气味识别。 2013年，清华大学王晓峰教授研究小组提出了一种基于光刻、感应耦合等离 子体刻蚀和溅射等微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）工 艺加工三维结构硅基MEA的新方法。该方法所制备的三维微电极的比电容达到 1.57 F/cm 2,与平面电极比电容0.42 F/cm2相比明显提高,而电化学阻抗比二维平 面微电极显著降低.相关实验数据表
6、明基于MEMS技术加工的三维结构微电极具有 优于平面电极的电化学电容储能特性. 通过四十多年的发展，MEA已经广泛的应用于检测各种具有电兴奋功能的细 胞和组织。除了生物检测方面的广泛应用，在德国的MCS（Multichannel System） 公司MEA商品化推广之后，MEA芯片的设计在功能、性能等需求方面也有了多样化 的发展， 主要表现在在材料的选择、 电极阵列排布、 电极结构及功能扩展等方面。 1.31.3课题研究意义课题研究意义 通过对 MEA 的前期调研，使我深刻的感受到它对于神经网络研究的重要性。 MEA 技术提供了一种理想的神经电信号检测手段,可以同时获得大量神经细胞的 电活动信息，通过对测量获得的大量神经细胞的电活动信息进行分析,可以实现 揭示神经系统工作机理、治疗神经疾病和神经康复等方面的目的。对于深入研究 大脑神经细胞及其网络的工作机制提供了有效的手段，并对人工神经网络、脑科 学和认知科学的研究提供理论与实验支持。 2.2.课题研究的主要内容和采用的研究方案、研究方法课题研究的主要内容和采用的研究方案、研究方法 2
