应用于膀胱功能重建的多通道信号跨皮无线传输系统设计与实验研究

发布时间：2017-07-13 13:26

  本文关键词：应用于膀胱功能重建的多通道信号跨皮无线传输系统设计与实验研究

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【摘要】：脊髓损伤是引起神经源性膀胱最常见的原因,尤其在骶髓上脊髓损伤患者中,有相当高的比例会出现膀胱贮尿和排尿双重功能障碍。伴随着各种植入式医疗电子器件在诊断和治疗领域的不断涌现,基于功能电刺激的膀胱功能重建技术发挥着越来越重要的作用。针对国产膀胱功能重建系统在国内市场的空缺,本课题组提出自主研发一种用于膀胱功能重建系统的骶神经刺激系统。本论文研究内容属于该系统的子系统,目标是采用一种基于微线圈阵列的多通道信号跨皮无线传输方法将信号从体外传输到体内,通过实验验证系统功能的可靠性与稳定性,为将来的临床植入式应用提供可能。本论文首先根据骶神经刺激系统的整体功能需求,确定了多通道功能电刺激信号跨皮无线传输系统的系统结构、工作原理以及电路结构,并对系统的工作频率、集成及封装方案进行了探讨设计。本论文接着从电磁耦合模型出发,以电磁理论为基础,对线圈射频网络进行了电磁分析。在理论分析的基础上,完成系统的发射和接收线圈的设计与制作,并基于二端口网络模型,应用网络分析仪对线圈的电学参数进行了测试。同时为提高系统的传输效率,选择并联谐振补偿结构对耦合结构进行了优化。本论文进一步对多通道信号跨皮无线传输系统的发射和接收模块的电路进行了设计与仿真测试。对于体外发射电路,分别对基于模拟乘法器的电路结构、晶体振荡器与二通道与门相结合的电路结构以及基于LC电容三点式振荡器电路结构的三种设计方案进行了仿真分析,经对比后选择第三种方法作为体外模块的设计方案,用于实现低频信号的调制与功率放大。而对于接收模块选择二极管峰值包络检波电路实现体内无源设计。最后将两部分电路的工作性能进行了联合仿真以及硬件电路制作后的联合测试,验证出各部分电路均可以正常工作。本论文在完成各模块的设计后,进行了骶神经刺激系统的联合测试。在对多通道功能电刺激信号跨皮无线传输系统的发射、接收模块进行了封装测试的基础上,联合控制盒模块对骶神经刺激系统不仅在体外进行了相关的模拟实验,包括信号特性实验和不同介质(空气、盐水和猪皮介质)中的不同位置(轴向、径向和角度)失配实验。接着进行了6次活体动物实验,验证了多通道信号跨皮无线传输系统各通道均能够跨过猪皮介质传输单向刺激脉冲信号,并使蟾蜍左、右腿分别产生伸腿动作,而且实现了通道间基本不产生影响,本论文最后讨论了系统能够工作的位置容限和信号特性指标,以此验证了骶神经刺激系统的稳定性和选择性,为将来的实际临床应用打下了基础。
【关键词】：膀胱功能重建 骶神经刺激 多通道 跨皮无线传输 电磁耦合 无源设计
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R651.2;R694.5;TN911.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-34
• 1.1 课题背景9-11
• 1.1.1 神经源性膀胱概述9
• 1.1.2 神经源性膀胱治疗方法9-11
• 1.2 功能电刺激在改善膀胱功能障碍方面的研究进展11-17
• 1.2.1 功能电刺激疗法的神经生理学基础11-12
• 1.2.2 功能电刺激位点的选择12-13
• 1.2.3 骶神经根电刺激在改善膀胱功能障碍方面的研究现状13-17
• 1.2.4 骶神经电刺激方法对比分析17
• 1.3 功能电刺激信号体内外传输及其研究进展17-25
• 1.3.1 体内外功能电刺激信号的跨皮无线传输方式17-18
• 1.3.2 多通道功能电刺激信号体内外无线传输系统的研究现状18-24
• 1.3.3 多通道功能电刺激信号的体内外无线传输方式总结24-25
• 1.4 本论文研究目的与内容25-27
• 参考文献27-34
• 第2章 多通道功能电刺激信号跨皮无线传输系统方案设计34-39
• 2.1 骶神经刺激系统的整体设计方案34
• 2.2 多通道功能电刺激信号跨皮无线传输系统功能需求与设计目标34-35
• 2.3 多通道功能电刺激信号跨皮无线传输系统技术方案35-38
• 2.3.1 系统结构与工作原理35-36
• 2.3.2 系统工作频率36-37
• 2.3.3 系统集成与封装37-38
• 2.4 本章小结38
• 参考文献38-39
• 第3章 多通道功能电刺激信号跨皮无线射频传输线圈设计39-56
• 3.1 无线信号传输的电磁理论39-40
• 3.2 关于线圈设计的电磁分析40-45
• 3.2.1 发射线圈与接收线圈间的耦合系数40-41
• 3.2.2 发射线圈与接收线圈之间的互感关系41-43
• 3.2.3 最佳线圈半径43-45
• 3.3 体内外射频线圈回路的设计及制作45-50
• 3.3.1 体外发射线圈的设计45-46
• 3.3.2 体内接收线圈的设计46-47
• 3.3.3 体内外接收线圈的电学参数测试47-50
• 3.4 射频磁场耦合结构补偿优化设计50-53
• 3.4.1 耦合补偿结构51-52
• 3.4.2 优化设计方案52-53
• 3.5 本章小结53
• 参考文献53-56
• 第4章 多通道功能电刺激信号跨皮无线传输系统体外模块设计56-72
• 4.1 体外发射模块的整体结构56
• 4.2 基于乘法器的振幅调制方法56-63
• 4.2.1 载波信号发生电路的设计与测试57-59
• 4.2.2 调制电路的设计与测试59-61
• 4.2.3 功率放大电路的设计与测试61-63
• 4.3 基于晶体振荡器与OOK相结合的发射电路设计与仿真63-66
• 4.4 基于LC振荡器结构的OOK电路设计与实现66-70
• 4.5 小结与讨论70-71
• 参考文献71-72
• 第5章 多通道功能电刺激信号跨皮无线传输系统体内模块设计72-83
• 5.1 体内接收模块的整体结构72
• 5.2 包络检波电路的设计与测试72-79
• 5.2.1 包络检波原理72-74
• 5.2.2 包络检波电路的性能指标74-76
• 5.2.3 包络检波电路的设计与测试76-79
• 5.3 骶神经刺激电极的选取79-81
• 5.3.1 几种常用的神经电极介绍79-80
• 5.3.2 神经刺激电极的选取80-81
• 5.4 本章小结81
• 参考文献81-83
• 第6章 多通道功能电刺激信号跨皮无线传输系统联合实验83-104
• 6.1 系统封装83-86
• 6.1.1 系统集成83-84
• 6.1.2 系统封装84-86
• 6.2 信号特性实验86-88
• 6.2.1 信号幅值特性实验86-87
• 6.2.2 信号频率特性实验87
• 6.2.3 信号脉宽特性实验87-88
• 6.2.4 负载特性实验88
• 6.2.5 实验结果与讨论88
• 6.3 不同介质条件下的不同空间位置关系对比实验88-96
• 6.3.1 空气介质实验89-91
• 6.3.2 盐浴介质实验91-93
• 6.3.3 猪皮介质实验93-95
• 6.3.4 结果讨论95-96
• 6.4 活体动物实验96-103
• 6.4.1 活体动物实验对象的选取96
• 6.4.2 活体动物实验96-102
• 6.4.3 活体动物实验总结102-103
• 6.5 本章小结103-104
• 第7章 总结和展望104-107
• 7.1 总结104-105
• 7.2 展望105-107
• 攻读硕士学位期间发表和已完成的论文107-108
• 致谢108

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本文编号：537111