【摘要】：神經(jīng)電刺激方法通過向人體體內(nèi)施加電流,能夠直接調(diào)控神經(jīng)回路和神經(jīng)功能,在治療人類神經(jīng)系統(tǒng)疾病上發(fā)揮了巨大的作用。傳統(tǒng)的植入式電極在時間和空間上具有較高的分辨率,所以在臨床上得到了廣泛的運用。但是植入式電極往往伴隨著較高的手術成本以及對人體的創(chuàng)傷性,所以非侵入式的、無創(chuàng)傷的經(jīng)顱電刺激技術應運而生。經(jīng)顱電刺激技術在頭皮上施加恒定、低強度的電流,以無創(chuàng)傷的方式調(diào)節(jié)大腦皮層的神經(jīng)活動。非侵入式的經(jīng)顱電刺激需要同時兼顧空間上的聚焦度和穿透深度,在技術上仍然面臨著較大的挑戰(zhàn)。采用對人體組織具有更好穿透性的中頻電流、分析電流在體內(nèi)的作用機制是實現(xiàn)以上要求的重要手段之一。本文以時間干涉電流刺激神經(jīng)系統(tǒng)為研究對象,建立了涵蓋電場和神經(jīng)離子通道的數(shù)值分析模型,分析了預調(diào)制包絡電流和時間干涉電流刺激神經(jīng)的作用機制,提出了一種具有高聚焦度的神經(jīng)電刺激方法,完成了以下三方面的工作:1.從電場和神經(jīng)動作電位兩個角度,分析預調(diào)制中頻包絡電流在體內(nèi)的作用機制:中頻電流對人體組織的穿透性以及神經(jīng)的低頻響應特性。本節(jié)詳細分析了最佳載波頻率的選擇以及不同形狀的電極在體內(nèi)的電場分布,設計了一種具有高聚焦度的同心方環(huán)電極。2.建立涵蓋電場和神經(jīng)離子通道的數(shù)值分析模型,闡述時間干涉電流在體內(nèi)的作用機制。建立單神經(jīng)節(jié)和多神經(jīng)節(jié)模型,并基于兩個電場的時域疊加原理分析時間干涉電流刺激神經(jīng)的作用機制:神經(jīng)興奮發(fā)放動作電位、神經(jīng)疲勞性和神經(jīng)傳導阻滯。3.提出了一種具有高聚焦度的神經(jīng)電刺激方法:綜合多種調(diào)制方式(包括了頻率、極性、時分調(diào)制)的高精度刺激方法。該方法有兩種具體的應用形式:陣列電極和大腦聚焦刺激。本文從電場-神經(jīng)離子通道的數(shù)值分析模型以及生理鹽水實測得到的刺激電流波形對神經(jīng)的作用效果兩個方面,驗證了該方法的正確性以及聚焦度。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R741.05;TM15
【圖文】：

華南理工大學碩士學位論文的電路模型準確描述了細胞膜的離子通道模型和電壓變化。外界電流能夠打開和關閉細胞膜，并導致神經(jīng)細胞膜電壓發(fā)生變化。大量的神經(jīng)電生理和神經(jīng)電刺激研究[12,13]都基于 HH 模型展開討論，通過膜片鉗技術在具體的神經(jīng)細胞上測得細胞膜的電壓，擬合具體的離子通道方程，如 McIntyre-Richardson-Grill （MRG）模型[14]等，為神經(jīng)電刺激的數(shù)值分析模型和機制分析提供了堅實的理論基礎。

50 種不同形狀用于經(jīng)顱磁刺激的線圈，經(jīng)顱磁刺激的刺激精度只能達到厘米級別，在穿透深度和聚焦度上存在折中。近年來，經(jīng)顱電刺激和經(jīng)顱磁刺激一直在努力的方向是，同時兼顧穿透深度和聚焦度。直流電或低頻電流的電場值越大，越能誘發(fā)神經(jīng)興奮，即大腦中的激活區(qū)域位于感應電場區(qū)域的最大值處。毫無疑問，增大施加電流的強度，能夠刺激到更深區(qū)域的神經(jīng)。但是都會帶來兩個問題，一是電流會在體內(nèi)發(fā)生不同程度的擴散[20]，刺激精度大大降低；二是人體的耐受程度，刺激電流不能超過人體的耐受范圍。Parra 團隊[7]提出的 4×1 環(huán)繞電極刺激方法，傳遞到大腦表層的電流密度增加，并且該方法的刺激精度優(yōu)于傳統(tǒng)的兩片分立式電極。在大腦內(nèi)部電場相互疊加的地方，神經(jīng)元發(fā)生最強的跨膜去極化，而頭皮的局部電流強度可以按照電極對的數(shù)目成比例的下降，如圖 1-2 所示。對比傳統(tǒng)的兩片分立式電極，4×1 環(huán)繞電極具有更好的刺激精度和靈活性，可以根據(jù)個體的精確大腦 MRI 模型，用遺傳算法[21]優(yōu)化四周的四個電極的位置，進而精準地刺激對應的腦區(qū)。

【參考文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 黎國鋒;小動物無創(chuàng)超聲腦神經(jīng)調(diào)控方法研究[D];中國科學院大學(中國科學院深圳先進技術研究院);2018年

相關碩士學位論文 前5條

1 羅帥濤;基于ARM與FPGA的中頻干擾電療儀[D];東南大學;2018年

2 朱玉芳;深部腦刺激期間神經(jīng)元鋒電位波形變化及其機制研究[D];浙江大學;2017年

3 陳茜;基于無髓神經(jīng)模型傳導阻斷的仿真實驗研究[D];北京交通大學;2014年

4 朱林林;高頻神經(jīng)電刺激應用研究[D];大連理工大學;2013年

5 孟倩;基于MSP430F149的干擾電治療儀的研究[D];燕山大學;2009年

本文編號：2733561