用于神經(jīng)功能修復的電、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)學界的重大難題之一。從根本上講，人體各種感覺和運動功能，都是與之對應的神經(jīng)細胞或肌肉接受各種刺激產(chǎn)生動作電位的結果。當功能發(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)修復的刺激方式有電、光、化學、機械等。其中功能性電刺激是研究的熱點，已進入臨床階段，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。但紅外激光刺激療法目前尚處于實驗初步階段，所研究的應用領域較窄，很多問題有待進一步研究解決。
　　 針對上述研究背景，本學位論文圍繞神經(jīng)功能修復這一目的，在總結分析功能性神經(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用的基礎上，首先提出了實現(xiàn)多通道刺激信號體內外無線傳輸?shù)男略O計方案并最終通過動物實驗進行了可行性驗證，其次提出了短波長近紅外激光應用到

3、視皮層修復的方案并通過實驗進行了初步驗證，最后將兩種刺激方法結合，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。本論文的研究內容主要總結如下：
　　 1.基于微線圈陣列的多通道植入式神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的研制及實驗研究
　　 針對植入式神經(jīng)電刺激器的能量供應和數(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。該方案通過設計多組信號傳輸通道

4、實現(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調制方式，對應的體內接收模塊全部采用無源元件，電路簡單且無需設計能量傳輸通道對其供電。在此基礎上首先建立了該方案的數(shù)學模型，計算多通道系統(tǒng)的信號和噪聲耦合系數(shù)，從理論上驗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。然后基于此方案設計了一種多通道植入式神經(jīng)電刺

5、激系統(tǒng)，進一步對該系統(tǒng)的電路性能進行了測試，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驗，驗證了本系統(tǒng)的可靠性和實際可用性。
　　 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卡夫電極的電刺激青蛙坐骨神經(jīng)的理論模型和實驗模型。理論模型基于COMSOL、NEURON、SIMULINK三大軟件實現(xiàn)，分析了電極的設計、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，提出了改進電極使用壽命的方法，并實現(xiàn)了神經(jīng)纖維的選擇性刺激。在理論模型基礎上開展了電刺激離體青蛙坐骨神經(jīng)的實驗，成功實現(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神經(jīng)功能時帶來的肌肉疲勞、疼痛等負面影響。
　　 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驗平臺。本研究從三方面驗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理論模型，計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際溫度變化進行了初步試驗驗證。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驗基礎。
　　 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，在電刺激青蛙坐骨神經(jīng)的基礎上搭建了光電組合刺激青蛙坐骨神經(jīng)的理論模型和實驗模型。研究兩種方法共同作用下，青蛙坐骨神經(jīng)動作電位的變化規(guī)律。通過理論和實驗成功實現(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，特別地實現(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)修復中的關鍵技術進行了深入的研究，一方面改進了植入式神經(jīng)電刺激系統(tǒng)，另一方面開拓了光刺激的可應用范圍，最后實現(xiàn)了對不同神經(jīng)的選擇性刺激。本文取得的創(chuàng)新性研究結果總結如下：
　　 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，并且所設計體內接收模塊，電路簡單，全部采用無源元件，無需設計能量傳輸通道對其供電。在此基礎上建立了該多通道系統(tǒng)的數(shù)學模型，不僅可以計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。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立設計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鼠視皮層的動物實驗平臺，初步驗證了短波長近紅外激光對視皮層電活動的調控作用，為激光刺激視皮層神經(jīng)假體的研究奠定了實驗基礎。短波長近紅外激光穿透能力強，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刺激時由于電流擴散導致的作用范

12、圍重疊的問題。
　　 3.建立了一種基于SIMULNK、COMSOL和NEURON三大軟件結合實現(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，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)。在理論模型的基礎上搭建了光電組合刺激青蛙坐骨神經(jīng)的動物實驗，并成功實現(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，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