隨著世界老齡化進程的加快,越來越多的老年人患上了腦功能疾病。腦功能疾病的共有特點是大腦某個區(qū)域的神經(jīng)環(huán)路功能的瓦解、失效,從而導致患者在認知、行為、語言等方面出現(xiàn)障礙。因為病因特殊以及現(xiàn)有治療方法的固有局限性,腦功能疾病療法的研究進程緩慢。低能量光療法是一種無創(chuàng)、無痛、便捷、廉價治療方法,自從1967年被發(fā)現(xiàn)以來,就一直受到了科研人員的廣泛關注。這種方法直接刺激細胞,促進細胞的呼吸作用,加快細胞的更新速度,可能會喚醒已經(jīng)失效的神經(jīng)環(huán)路。將低能量光療法用于腦功能疾病是一種有效的嘗試,可以促進低能量光療法在腦功能疾病治療上的發(fā)展。本文基于低能量光療法設計、研制出一套低能量光腦功能疾病刺激系統(tǒng),該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的選擇在全腦或者大腦的某個特定區(qū)域發(fā)出特定能量、特定頻率的光。首先介紹了腦功能疾病的現(xiàn)狀以及現(xiàn)有治療方法的治療效果;根據(jù)文獻內容總結了低能量光療法的原理,從技術上闡明了用低能量光療法治療腦功能疾病的可行性,并介紹了低能量光在腦功能疾病上應用的歷史和現(xiàn)狀。之后利用利用蒙特卡羅的仿真方法,模擬出光子在人體頭部的傳輸特性,優(yōu)化低能量光療法在腦功能疾病上應用的刺激方案。接下來設計并完成了基于低能量光的腦功能疾病的刺激系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件。對于硬件部分,根據(jù)完成功能的不同,可以分為邏輯模塊、數(shù)模轉換模塊以及恒流源電源驅動模塊等,這些模塊相互獨立,通過導線傳輸信號;對于軟件部分,也可以根據(jù)完成功能的不同將該部分分成兩個部分,界面部分和后臺運行部分,這兩個部分分別由一個線程獨立完成,線程之間通過全局變量傳輸信息。為了保證系統(tǒng)能夠達到最好的運行狀態(tài),本文還設計了外部支持系統(tǒng)幫助維持系統(tǒng)的功能。在系統(tǒng)完成后,本文設計了一系列的測試來驗證系統(tǒng)的可靠性,主要包括功能性測試、穩(wěn)定性測試和外部支持系統(tǒng)的測試,以驗證系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性。通過人體實驗發(fā)現(xiàn)低能量光刺激能夠有效的提高組織的血流和氧消耗量,表明該系統(tǒng)是有效、安全的。這些實驗結果證明了低能量光療法在腦功能疾病刺激治療上的巨大潛力。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O439;R749.05
【部分圖文】：

CCO 在細胞呼吸作用的最后一個階段（呼吸電子傳遞鏈階段）擔任重要的作用，光子的能量傳遞給 CCO，會大大增加 CCO 的活性，CCO 活性增加的越多，線粒體就會產生越多的 ATP，細胞內相關的生化反應就會加快[12]。另外，低能量光還會將細胞內原本存儲的一氧化氮釋放出來[13]，而一氧化氮又會促進血管的舒張，從而加快身體的血液循環(huán)[14]。除此之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，對于低能量光療法，并不是光強越強越好，光強與療效呈現(xiàn)出一個雙向性的結果[11, 14]，剛開始，療效隨著光強的增加而慢慢的增加，之后療效會達到一個最高點，這時療效會隨著光強的增加而減低，這種情況與細胞中產生的活性氧（ROS）有關。研究人員認為在細胞中，存在兩種活性氧，一種好的活性氧，一種壞的活性氧。好的活性氧在細胞被較低光強的低能量光照射時產生，其可以作為調控氧化還原反應的信號，促進細胞產生更多的 ATP，同時好的活性氧也可以促進細胞核內的轉錄，加快細胞的生化反應；隨著光照強度的增加，細胞減少好的活性氧的合成，增加壞的活性氧的合成，壞的活性氧會破壞線粒體從而破壞細胞的呼吸作用，降低 ATP 的產量[14]。圖 1-1 顯示的是細胞內部受到低能量光照射時發(fā)生的一些反應。

癌癥[18]、緩解疼痛[19]、治療腦卒中[20-21]、治療神經(jīng)性疾病[22-23]、改善（如圖 1-2 所示）。雖然經(jīng)過了五十多年的發(fā)展，但是科研人員對于低背后的具體原理現(xiàn)在尚不清楚。中國對于低能光療法的研究起步較晚，世紀才有研究機構、科研院所開始研究低能量光的作用。接下來本小結路徑的仿真、動物實驗以及人體實驗分別介紹低能光療法在腦功能疾病。低能量光傳輸特性模擬仿真軟件是基于蒙特卡羅方法實現(xiàn)的，總共經(jīng)歷發(fā)展，第一代 Wang 和 Jacques 編寫的 MCML 是第一款能夠模擬仿真中傳播路徑的軟件[26]，在相當長的一段時間內，該方法一直被認為是光織內傳播路徑仿真結果的金標準，但是該方法存在一個致命的缺陷，即合做 3D 的模型結構仿真；第二代是 Boas 小組開發(fā)的 tMCimg[27]，該 3D 的組織模型進行仿真；第三代是華中科技大學的李婷博士開發(fā)的 M[28-29]，這是一個基于體素的 3D 組織模型仿真軟件，該軟件的運行結L 和 tMCimg 的運行結果有很好的一致性，同時穩(wěn)定性和精確度要遠代的仿真軟件。

文利用近紅外光譜作為低能量光腦功能疾病刺激的監(jiān)測技術，方便激效果。近紅外光譜技術的主要原理是利用組織內不同吸收色團對有不同的吸收系數(shù)來計算相應吸收色團的濃度[34-35]，人體中 80%的水對各個波長光的吸收系數(shù)差異較大，會對組織內其他吸收色團產生光譜技術利用 700~900 nm 的光作為一個光學窗口，如圖 1-3 所示，水的吸收系數(shù)基本為 0，主要的吸收色團是脫氧血紅蛋白和含氧血紅蛋水對該窗口內光的吸收系數(shù)較小，因此光可以達到深層組織，檢測更液參數(shù)。近紅外光譜技術在三十年前剛被提出的時候主要用在肌肉乳腺檢測[37-38]，之后，慢慢的發(fā)展到用該方法檢測大腦的血液動力學該方法有很多優(yōu)點，包括：無創(chuàng)性檢測，只用光的方法進行檢測，完全項技術可以檢測多個血液動力學參數(shù)，比如脫氧血紅蛋白濃度、含氧和氧飽和度；實時檢測，該方法可以實時的檢測血液動力學參數(shù)的變、成本低廉，便于融入到便攜式設備中，該技術具有巨大的潛力，因人員的廣泛關注。

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本文編號：2812264