癲癇的閉環(huán)控制-模型分析.pdf

1、癲癇疾病是嚴(yán)重威脅著人們身體健康的神經(jīng)疾病，其致病和治病機(jī)制尚未清楚，電刺激是替代藥物和手術(shù)的有效方法。雖然閉環(huán)控制電刺激能夠提高治療的效果，但鮮見采用神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。神經(jīng)科學(xué)的模型分析是替代動(dòng)物和人體實(shí)驗(yàn)的有效途徑。本文將計(jì)算神經(jīng)元模型與控制理論相結(jié)合，提出了一種基于神經(jīng)元模型的閉環(huán)電刺激的思路，實(shí)現(xiàn)癲癇的閉環(huán)控制。
　　 本文分析了國內(nèi)外癲癇模型研究和控制的現(xiàn)狀和趨勢，提出以海馬CA3區(qū)為研究對象，采用關(guān)鍵

2、參數(shù)和慢變量作為反饋參數(shù)的閉環(huán)控制方案。首先分析了Pinsky-Rinzel(PR)神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)特性，得到了各種參數(shù)對海馬CA3區(qū)放電影響的規(guī)律即海馬區(qū)癲癇發(fā)病機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了CA3區(qū)神經(jīng)元各參數(shù)具有不同的時(shí)標(biāo)且慢變量具有重要的生理意義。本文首次提出了慢變量跟蹤的反饋閉環(huán)控制方案，分別以PR神經(jīng)元的兩個(gè)慢變量，即細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度和長時(shí)程的依鈣鉀離子通道打開的概率為反饋參數(shù)。本文采用無跡卡爾曼濾波器(UnscentedKalman Filt

3、er，UKF)實(shí)現(xiàn)慢變量的估計(jì)，并采用PI控制算法實(shí)現(xiàn)快放電到慢放電的控制以及放電狀態(tài)到靜息的控制。仿真發(fā)現(xiàn)，慢變量的閉環(huán)控制信號具有較小的幅值波動(dòng)，符合生理意義。
　　 針對神經(jīng)元病態(tài)放電通常是由一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)異常所導(dǎo)致的，通過外部電刺激可以實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的恢復(fù)，首次提出了基于關(guān)鍵參數(shù)的反饋閉環(huán)控制。采用UKF對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，并將其作為反饋參數(shù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制及正常參數(shù)的跟蹤。通過仿真發(fā)現(xiàn)本方案不但可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)參數(shù)導(dǎo)致的異

4、常放電恢復(fù)而且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)導(dǎo)致的異常放電恢復(fù)。
　　 最后本文根據(jù)神經(jīng)元嵌入在神經(jīng)介質(zhì)中實(shí)際生理環(huán)境，建立了外電場作用下的神經(jīng)元及其集群的場效應(yīng)模型。分析該模型非線性動(dòng)力學(xué)特性，得到外電場作用于神經(jīng)元及其網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù)，并通過UKF估計(jì)關(guān)鍵參數(shù)將其作為反饋信號實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)控制。仿真表明，控制方案不但可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的同步控制且可以實(shí)現(xiàn)去同步控制。
　　 本文通過模型分析，研究了神經(jīng)元及其集群放電的癲癇閉環(huán)控制，分析了