高頻神經(jīng)電刺激應(yīng)用研究：相對(duì)安全的選擇性神經(jīng)興奮和神經(jīng)傳導(dǎo)阻斷方法設(shè)計(jì).pdf

1、高頻(kHz)雙向電刺激可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)局部傳導(dǎo)阻斷和神經(jīng)選擇性興奮，來(lái)減輕疼痛、緩解肌肉抽搐與僵直、提高泌尿效率與恢復(fù)肌肉運(yùn)動(dòng)，所以安全有效的高頻電刺激方法具有重要的科研與臨床應(yīng)用價(jià)值。但目前由高頻電刺激引起的神經(jīng)損傷尚未得到廣泛關(guān)注。為此，本文主要通過(guò)高頻刺激波形的電荷量與高頻刺激前后復(fù)合動(dòng)作電位(Compound Action Potential，CAP)的差異來(lái)分析高頻電流對(duì)神經(jīng)傳導(dǎo)功能的影響，統(tǒng)計(jì)不同高頻雙向?qū)ΨQ電流的參數(shù)對(duì)神經(jīng)的損

2、傷作用，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及可能的損傷機(jī)制對(duì)刺激波形與刺激電極進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)更安全的高頻電刺激方法。
　　本文使用不同參數(shù)（幅度、時(shí)長(zhǎng)與頻率）的高頻雙向?qū)ΨQ電流分別對(duì)神經(jīng)造成的整體損傷趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過(guò)在阻斷閾值的0.15-10倍范圍內(nèi)改變高頻電流幅度，損傷會(huì)隨著高頻幅度的增加呈現(xiàn)增大-減小-增大的變化曲線，其中在阻斷閾值時(shí)對(duì)應(yīng)的損傷達(dá)到局部最大值，在2.8倍阻斷閾值處時(shí)達(dá)到局部最小值，10倍阻斷閾值時(shí)神經(jīng)完全損傷。實(shí)驗(yàn)在相同電

3、荷量的前提下，所選高頻刺激頻率（1.25 k，2.5 k，5k與10kHz）越大，對(duì)應(yīng)的損傷越小。而高頻連續(xù)刺激時(shí)長(zhǎng)（5、15、25、35、45、55與60 s）對(duì)神經(jīng)的損傷程度與恢復(fù)速度都有影響。時(shí)長(zhǎng)越大，損傷逐漸增加，恢復(fù)速度減緩，且在給定的時(shí)間內(nèi)CAP最終恢復(fù)的幅度依次下降。所以幅度為阻斷閾值的2.8倍，頻率越高和時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，神經(jīng)的損傷相對(duì)較小。
　　在高頻雙向?qū)ΨQ電流阻斷神經(jīng)傳導(dǎo)功能實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雖然較低幅度的高頻電流阻斷效果

4、不佳，但可以調(diào)節(jié)神經(jīng)的興奮性，再結(jié)合其對(duì)應(yīng)的神經(jīng)損傷較小，奠定了高頻電流應(yīng)用在神經(jīng)選擇性興奮上的可能性。本文在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上使用具有一定頻率的高頻電流和一定延遲時(shí)間(d)的測(cè)試脈沖組成的小電量信號(hào)刺激神經(jīng)模型，通過(guò)改變測(cè)試脈沖出現(xiàn)的時(shí)間延遲(d)和高頻電流頻率實(shí)現(xiàn)了選擇性興奮5-16μm范圍內(nèi)某一直徑附近的神經(jīng)纖維。當(dāng)延遲時(shí)間d為0.83、0.84、0.85、0.86、0.87、0.88和0.90 ms時(shí)，電刺激可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)5、7、

5、8、9、10、11和15μm附近神經(jīng)的選擇性興奮;當(dāng)高頻電流頻率為5、6、7、8、9和10 kHz時(shí)，電刺激可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)7、8、10、11、14和16μm附近神經(jīng)的選擇性興奮。
　　較合理參數(shù)的高頻雙向?qū)ΨQ電流刺激仍對(duì)神經(jīng)造成較大的損傷。為此，本文通過(guò)改變高頻刺激波形（降低樣機(jī)脈沖幅度和脈沖對(duì)之間插入零電位的間隔）與刺激電極（改變電極材質(zhì)和增加電極尺寸）來(lái)優(yōu)化神經(jīng)阻斷的方法。其中陽(yáng)極脈沖小幅度降低而陰極脈沖不變（陽(yáng)/陰極幅度比處

6、于0.8-0.98之間）的高頻雙向不對(duì)稱波形可顯著的降低神經(jīng)損傷。另外，在脈沖對(duì)之間插入適當(dāng)?shù)拈g隔，能夠減小刺激電流的每相電荷量（最大降低56.8％）與單位時(shí)間電荷量（最大降低95.2％）。將極化電極Pt代替非極化電極Ag/AgCl，阻斷率相對(duì)穩(wěn)定，平均損傷能夠相對(duì)降低11.5％，且在最優(yōu)尺寸處（原電極尺寸的9倍）相對(duì)降低8.9％。
　　本文利用高頻雙向電刺激分別基于神經(jīng)模型仿真實(shí)驗(yàn)與牛蛙坐骨神經(jīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)的選擇性興奮與神經(jīng)傳

7、導(dǎo)阻斷。在選擇性興奮神經(jīng)方面，使用的刺激波形相對(duì)于其他方法具有小電量的優(yōu)勢(shì)。在神經(jīng)傳導(dǎo)阻斷方面，通過(guò)對(duì)高頻雙向電流對(duì)神經(jīng)的整體損傷分析確定了相對(duì)安全的刺激參數(shù)（2.8倍阻斷閾值左右的電流幅度、較短的刺激時(shí)間和較高的電流頻率）。其中幅度參數(shù)對(duì)神經(jīng)損傷呈現(xiàn)增大-減小-增大的變化曲線，電化學(xué)反應(yīng)，離子濃度的改變和神經(jīng)溫度的驟升可能分別對(duì)三個(gè)階段的損傷機(jī)制起主要作用。為了減小高頻刺激對(duì)神經(jīng)的損傷作用，本文結(jié)合上述損傷機(jī)制，設(shè)計(jì)出優(yōu)化的神經(jīng)阻斷方