用于神經(jīng)功能修復(fù)的電、近紅外激光及其組合刺激方法的研究.pdf

1、神經(jīng)功能性疾病因很難通過藥物等手段治愈，成為醫(yī)學(xué)界的重大難題之一。從根本上講，人體各種感覺和運(yùn)動功能，都是與之對應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞或肌肉接受各種刺激產(chǎn)生動作電位的結(jié)果。當(dāng)功能發(fā)生異常時，可以通過建立神經(jīng)接口施加外界刺激而治愈。目前用于神經(jīng)修復(fù)的刺激方式有電、光、化學(xué)、機(jī)械等。其中功能性電刺激是研究的熱點(diǎn)，已進(jìn)入臨床階段，并有很多產(chǎn)品問世。然而現(xiàn)有電刺激方法空間分辨率低，電極使用壽命短，且在供能、數(shù)據(jù)傳輸效率和安全方面都有待提高。新出現(xiàn)的紅外激

2、光神經(jīng)刺激療法采用低能量脈沖激光照射神經(jīng)，具有空間分辨率高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。但紅外激光刺激療法目前尚處于實(shí)驗(yàn)初步階段，所研究的應(yīng)用領(lǐng)域較窄，很多問題有待進(jìn)一步研究解決。
　　 針對上述研究背景，本學(xué)位論文圍繞神經(jīng)功能修復(fù)這一目的，在總結(jié)分析功能性神經(jīng)電刺激、近紅外激光神經(jīng)刺激及其組合刺激的原理和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，首先提出了實(shí)現(xiàn)多通道刺激信號體內(nèi)外無線傳輸?shù)男略O(shè)計(jì)方案并最終通過動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，其次提出了短波長近紅外激光應(yīng)用到

3、視皮層修復(fù)的方案并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了初步驗(yàn)證，最后將兩種刺激方法結(jié)合，借助閾下電刺激，降低光刺激閾值，避免了熱消融現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對不同神經(jīng)纖維的選擇性激活與抑制以及動作電位的單向傳導(dǎo)。本論文的研究內(nèi)容主要總結(jié)如下：
　　 1.基于微線圈陣列的多通道植入式神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的研制及實(shí)驗(yàn)研究
　　 針對植入式神經(jīng)電刺激器的能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸需求，提出了一種基于微線圈陣列的多通道神經(jīng)電刺激信號透皮傳輸方案。該方案通過設(shè)計(jì)多組信號傳輸通道

4、實(shí)現(xiàn)了多路電刺激信號的真正意義上的并行傳輸，且各通道信號有自己單獨(dú)的控制電路和信號產(chǎn)生電路，能夠根據(jù)需求靈活的發(fā)送各自的刺激信號。并且采用AM調(diào)制方式，對應(yīng)的體內(nèi)接收模塊全部采用無源元件，電路簡單且無需設(shè)計(jì)能量傳輸通道對其供電。在此基礎(chǔ)上首先建立了該方案的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算多通道系統(tǒng)的信號和噪聲耦合系數(shù)，從理論上驗(yàn)證了基于微線圈陣列的多道神經(jīng)電刺激信號透皮傳輸方案的可行性，并求得了系統(tǒng)的優(yōu)化方法。然后基于此方案設(shè)計(jì)了一種多通道植入式神經(jīng)電刺

5、激系統(tǒng)，進(jìn)一步對該系統(tǒng)的電路性能進(jìn)行了測試，并開展了基于本系統(tǒng)的貓硬腦膜外電刺激視皮層的動物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性和實(shí)際可用性。
　　 2.電刺激青蛙坐骨神經(jīng)--神經(jīng)纖維的選擇性刺激
　　 針對神經(jīng)纖維的選擇性刺激要求，本研究以青蛙坐骨神經(jīng)為研究對象，建立了基于三電極模式多觸點(diǎn)卡夫電極的電刺激青蛙坐骨神經(jīng)的理論模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＠碚撃Ｐ突贑OMSOL、NEURON、SIMULINK三大軟件實(shí)現(xiàn)，分析了電極的設(shè)計(jì)、刺激

6、電流模式的選擇、以及電極一電解液接口等因素對產(chǎn)生動作電位的影響，提出了改進(jìn)電極使用壽命的方法，并實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)纖維的選擇性刺激。在理論模型基礎(chǔ)上開展了電刺激離體青蛙坐骨神經(jīng)的實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了電刺激對神經(jīng)纖維的選擇性激活和抑制。該方法可用于外周神經(jīng)刺激器，有望解決電刺激在修復(fù)神經(jīng)功能時帶來的肌肉疲勞、疼痛等負(fù)面影響。
　　 3.近紅外激光刺激LE鼠視皮層--激光對中樞神經(jīng)的興奮和抑制
　　 選擇短波長脈沖式近紅外激光為刺激光源

7、，建立了近紅外激光刺激老鼠視皮層實(shí)驗(yàn)平臺。本研究從三方面驗(yàn)證近紅外激光刺激對視皮層電位的影響：圖形刺激眼球，記錄誘發(fā)的視覺動作電位(VEP)；圖形刺激眼球，同時近紅外激光刺激視皮層，研究近紅外激光刺激對正常VEP的影響；近紅外激光刺激視皮層，研究是否誘發(fā)視皮層動作電位。同時建立了激光照射生物組織熱效應(yīng)理論模型，計(jì)算激光照射后組織的溫度變化情況，并用紅外測溫成像儀對實(shí)際溫度變化進(jìn)行了初步試驗(yàn)驗(yàn)證。通過研究發(fā)現(xiàn)了短波長近紅外激光對視皮層神經(jīng)

8、電活動的調(diào)制作用，該發(fā)現(xiàn)為建立一種無創(chuàng)傷、無感染、高空間分辨率的視皮層假體提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 4.光電組合刺激青蛙坐骨神經(jīng)——局部瞬間熱阻斷
　　 基于近紅外激光對視皮層電活動的抑制性發(fā)現(xiàn)，以及激光高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，在電刺激青蛙坐骨神經(jīng)的基礎(chǔ)上搭建了光電組合刺激青蛙坐骨神經(jīng)的理論模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｑ芯績煞N方法共同作用下，青蛙坐骨神經(jīng)動作電位的變化規(guī)律。通過理論和實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了激光對坐骨神經(jīng)動作電位的局部瞬間熱阻斷，并

9、成功抑制了動作電位的產(chǎn)生或傳導(dǎo)，特別地實(shí)現(xiàn)了對動作電位的單邊抑制。光電組合的刺激方法降低了抑制所需的激光能量閾值，有效地避免了單獨(dú)近紅外激光神經(jīng)刺激時熱消融的發(fā)生。
　　 本論文從功能性電刺激、近紅外神經(jīng)刺激及其組合刺激三種刺激模式在神經(jīng)修復(fù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，一方面改進(jìn)了植入式神經(jīng)電刺激系統(tǒng)，另一方面開拓了光刺激的可應(yīng)用范圍，最后實(shí)現(xiàn)了對不同神經(jīng)的選擇性刺激。本文取得的創(chuàng)新性研究結(jié)果總結(jié)如下：
　　 1.提出

10、一種基于微線圈陣列的多通道神經(jīng)電刺激信號透皮傳輸方案。該方案實(shí)現(xiàn)了多通道信號的并行無線傳輸，各通道信號有自己單獨(dú)的控制電路和信號產(chǎn)生電路，能夠根據(jù)需求靈活的發(fā)送各自的刺激信號，并且所設(shè)計(jì)體內(nèi)接收模塊，電路簡單，全部采用無源元件，無需設(shè)計(jì)能量傳輸通道對其供電。在此基礎(chǔ)上建立了該多通道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，不僅可以計(jì)算任意位置的兩線圈的耦合系數(shù)，并且可以求得各通道的信號和噪聲，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。該傳輸方案適用于如視皮層假體、視網(wǎng)膜假體等需

11、要很多刺激電極且對各電極刺激信號的獨(dú)立設(shè)計(jì)有較高要求的植入式神經(jīng)電刺激器。
　　 2.提出一種基于短波長近紅外激光的視皮層神經(jīng)假體的方案，并搭建了激光刺激LE鼠視皮層的動物實(shí)驗(yàn)平臺，初步驗(yàn)證了短波長近紅外激光對視皮層電活動的調(diào)控作用，為激光刺激視皮層神經(jīng)假體的研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。短波長近紅外激光穿透能力強(qiáng)，無需接觸即可以刺激到深層的神經(jīng)。并且激光方向性好，空間分辨率高，可以解決電刺激視皮層假體在多點(diǎn)刺激時由于電流擴(kuò)散導(dǎo)致的作用范

12、圍重疊的問題。
　　 3.建立了一種基于SIMULNK、COMSOL和NEURON三大軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)接受電刺激和激光照射的電活動的建模方法。該方法靈活性強(qiáng)，可以任意改變神經(jīng)纖維的尺寸和位置，以及刺激電流或者激光的參數(shù)。在理論模型的基礎(chǔ)上搭建了光電組合刺激青蛙坐骨神經(jīng)的動物實(shí)驗(yàn)，并成功實(shí)現(xiàn)了對神經(jīng)纖維的選擇性激活和抑制，該方法即利用光刺激的高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，又借助閾下電刺激降低刺激所需激光的能量，避免了熱消融對組織的損害，為