基于时间干涉的电刺激研究

发布时间：2020-06-29 06:52

【摘要】：神经电刺激方法通过向人体体内施加电流,能够直接调控神经回路和神经功能,在治疗人类神经系统疾病上发挥了巨大的作用。传统的植入式电极在时间和空间上具有较高的分辨率,所以在临床上得到了广泛的运用。但是植入式电极往往伴随着较高的手术成本以及对人体的创伤性,所以非侵入式的、无创伤的经颅电刺激技术应运而生。经颅电刺激技术在头皮上施加恒定、低强度的电流,以无创伤的方式调节大脑皮层的神经活动。非侵入式的经颅电刺激需要同时兼顾空间上的聚焦度和穿透深度,在技术上仍然面临着较大的挑战。采用对人体组织具有更好穿透性的中频电流、分析电流在体内的作用机制是实现以上要求的重要手段之一。本文以时间干涉电流刺激神经系统为研究对象,建立了涵盖电场和神经离子通道的数值分析模型,分析了预调制包络电流和时间干涉电流刺激神经的作用机制,提出了一种具有高聚焦度的神经电刺激方法,完成了以下三方面的工作:1.从电场和神经动作电位两个角度,分析预调制中频包络电流在体内的作用机制:中频电流对人体组织的穿透性以及神经的低频响应特性。本节详细分析了最佳载波频率的选择以及不同形状的电极在体内的电场分布,设计了一种具有高聚焦度的同心方环电极。2.建立涵盖电场和神经离子通道的数值分析模型,阐述时间干涉电流在体内的作用机制。建立单神经节和多神经节模型,并基于两个电场的时域叠加原理分析时间干涉电流刺激神经的作用机制:神经兴奋发放动作电位、神经疲劳性和神经传导阻滞。3.提出了一种具有高聚焦度的神经电刺激方法:综合多种调制方式(包括了频率、极性、时分调制)的高精度刺激方法。该方法有两种具体的应用形式:阵列电极和大脑聚焦刺激。本文从电场-神经离子通道的数值分析模型以及生理盐水实测得到的刺激电流波形对神经的作用效果两个方面,验证了该方法的正确性以及聚焦度。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R741.05;TM15
【图文】：

细胞膜,离子通道,神经电生理,膜片钳技术

华南理工大学硕士学位论文的电路模型准确描述了细胞膜的离子通道模型和电压变化。外界电流能够打开和关闭细胞膜，并导致神经细胞膜电压发生变化。大量的神经电生理和神经电刺激研究[12,13]都基于 HH 模型展开讨论，通过膜片钳技术在具体的神经细胞上测得细胞膜的电压，拟合具体的离子通道方程，如 McIntyre-Richardson-Grill （MRG）模型[14]等，为神经电刺激的数值分析模型和机制分析提供了坚实的理论基础。

焦度,电极,经颅磁刺激

50 种不同形状用于经颅磁刺激的线圈，经颅磁刺激的刺激精度只能达到厘米级别，在穿透深度和聚焦度上存在折中。近年来，经颅电刺激和经颅磁刺激一直在努力的方向是，同时兼顾穿透深度和聚焦度。直流电或低频电流的电场值越大，越能诱发神经兴奋，即大脑中的激活区域位于感应电场区域的最大值处。毫无疑问，增大施加电流的强度，能够刺激到更深区域的神经。但是都会带来两个问题，一是电流会在体内发生不同程度的扩散[20]，刺激精度大大降低；二是人体的耐受程度，刺激电流不能超过人体的耐受范围。Parra 团队[7]提出的 4×1 环绕电极刺激方法，传递到大脑表层的电流密度增加，并且该方法的刺激精度优于传统的两片分立式电极。在大脑内部电场相互叠加的地方，神经元发生最强的跨膜去极化，而头皮的局部电流强度可以按照电极对的数目成比例的下降，如图 1-2 所示。对比传统的两片分立式电极，4×1 环绕电极具有更好的刺激精度和灵活性，可以根据个体的精确大脑 MRI 模型，用遗传算法[21]优化四周的四个电极的位置，进而精准地刺激对应的脑区。

【参考文献】