基于模型的帕金森病分析與控制.pdf

1、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一種嚴重危害中老年人健康的神經(jīng)退行性疾病。帕金森病的病因及其治療機制至今尚未完全清楚，是神經(jīng)科學(xué)界的難題之一。本文將計算模型和控制理論相結(jié)合，提出基于深度腦刺激(Deep BrainStimulation，DBS)的波形優(yōu)化和閉環(huán)控制思想，從模型角度研究PD的機理及DBS治療PD的機制問題。主要研究內(nèi)容包括：
　　 ⑴在分析PD發(fā)病機制和DBS治療機制的國內(nèi)外研究趨勢基礎(chǔ)

2、上，建立了外電場作用下帕金森病腦網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元模型，模擬DBS刺激對帕金森病發(fā)病腦區(qū)的調(diào)控機制。根據(jù)此模型提出了丘腦中繼可靠性的概念，分別從單神經(jīng)元和多神經(jīng)元角度研究了不同形式電場作用下PD神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的放電模式，發(fā)現(xiàn)DBS刺激從總體上降低了蒼白球內(nèi)側(cè)神經(jīng)元對丘腦神經(jīng)元的抑制性輸入，從而使丘腦神經(jīng)元的中繼活動得以順利進行。在使用不同參數(shù)形成的DBS波形刺激丘腦底核(Subthalamic nucleus，STN)時，基底核內(nèi)不同的核團會表現(xiàn)

3、出不同的節(jié)律。這個結(jié)論證明了外電場對帕金森病網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元模型調(diào)控機制的有效性。
　　 ⑵由于不同參數(shù)DBS刺激STN會對基底核神經(jīng)元的放電模式產(chǎn)生不同的作用，這種作用最終會通過GPi神經(jīng)元對丘腦中繼可靠性產(chǎn)生影響。本文提出了選擇性輸入的概念，通過利用各種不同的波形模擬蒼白球內(nèi)側(cè)(globus pallidusinterna，GPi)神經(jīng)元對丘腦神經(jīng)元的抑制性輸入，簡化了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)過程。研究了GPi神經(jīng)元的抑制性刺激和來自皮層

4、感覺運動區(qū)的興奮性刺激對丘腦中繼神經(jīng)元的影響。分析表明，丘腦中繼神經(jīng)元的放電狀態(tài)將取決于兩類刺激的競爭關(guān)系，在一定的興奮性輸入下，丘腦對抑制性刺激的頻率和幅值等具有選擇性，高頻低幅值和部分高頻高幅值的抑制性輸入不會影響到丘腦的中繼能力。
　　 ⑶提出了DBS波形成形的優(yōu)化思想，解決DBS的參數(shù)選擇無法實現(xiàn)能量最優(yōu)的問題。首先運用粒子群算法對周期性DBS方波的參數(shù)進行了優(yōu)化，減小了DBS的能量消耗以及參數(shù)選擇時間。首次利用波形脈寬

5、調(diào)制(Pulse WidthModulation，PWM)的面積等效原理的思想實現(xiàn)一種新的DBS波形成型規(guī)則。仿真結(jié)果表明，這種基于PWM的DBS波形成形規(guī)則具有和方波同樣的刺激效果，并且能夠減小能量消耗。在對PWM波進行優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)并證實了DBS刺激的最小能量效應(yīng)。
　　 ⑷由于對DBS機制認識不足以及個體(模型)的差異，當(dāng)前DBS的參數(shù)無法自動調(diào)節(jié)。本文基于辨識得到的模型，提出了PD模型的閉環(huán)控制方案。設(shè)計了丘腦中