用于神经调控的皮秒脉冲刺激系统研制及初步动物实验研究

发布时间：2017-03-15 21:54

  本文关键词：用于神经调控的皮秒脉冲刺激系统研制及初步动物实验研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：脑重大疾病以其高发病率、高致残率和高致死率给患者的家庭和生活带来沉重的负担。此类疾病究其电生理本质为神经元的过度同步放电,而其根本诱因则是神经元动作电位的异常改变。现有研究表明,电场脉冲(根据脉宽不同,可分为微秒、纳秒及皮秒脉冲)可通过调控细胞动作电位、继而实现相应的生物学效应。近年来,脉宽为皮秒级的超短脉冲匹配超宽带时域天线以其优异的方向性和精细的操控性在生物医学无创治疗领域得到广泛关注,可有效避免现有临床治疗手段的缺点和不足,有望为脑重大疾病的靶向无创调控提供一种全新的策略。然而,皮秒脉冲电场对细胞生物效应的机理研究仍处于一个探索阶段,皮秒脉冲调控神经元动作电位发放的研究更尚属空白。而前述研究工作顺利的开展,则有赖于皮秒脉冲刺激系统的成功研制,其中包括皮秒脉冲发生器与实验电极。为此,本文在国家自然科学基金青年科学基金项目(51307187)的支持下,成功研制出了用于神经调控的皮秒脉冲发生器及细胞实验开展所必需的电极,并通过动物实验初步探索了皮秒脉冲对动物在体神经调控作用。取得的主要成果有:(1)基于传统Marx电路原理并引入微带传输理论,研制出一台便携式紧凑型皮秒脉冲发生器(18 cm×18 cm×4 cm)。该装置可在50Ω衰减器负载上产生最大峰值电压1200 V,半高宽550 ps,上升时间150 ps,重复频率0~10 k Hz的高稳定性高重复频率皮秒脉冲。(2)基于PSPICE电路仿真软件,建立引入微带线的Marx电路模型,通过仿真探寻输出脉冲波形畸变的原因,并在此基础上优化皮秒脉冲输出波形。仿真与性能测试结果表明,串联谐振电感可以消除皮秒脉冲快速抖动的毛刺;基于渐变传输理论并在终端采用10 p F锐化电容,可得到幅值更高脉宽更窄的皮秒脉冲。(3)基于微波传输理论,采用MEMS制作工艺,研制了适用于不同实验的两种电极装置:一种用于多细胞微观物质含量检测;另一种便于显微镜下实时观察,两者细胞悬浮液中均可产生理想的皮秒脉冲电场。以上细胞实验电极的研制为后期皮秒脉冲调控神经元的机理研究奠定良好工作基础。(4)基于皮秒脉冲发生器及Cerebus多通道神经信号采集系统等实验平台,以大鼠在体运动皮层神经元为实验对象,探讨不同皮秒脉冲参数(幅值、重复频率、作用时间)对神经元电生理活动的影响,揭示了神经元动作电位的发放与施加皮秒脉冲参数的关系。综上所述,论文通过引入微带传输理论与渐变传输理论,设计并研制出便携式紧凑型皮秒脉冲发生器,基于同轴传输理论和MEMS制作工艺研制出多细胞电极池与单细胞微流控系统,并初步探讨了皮秒脉冲对大鼠运动皮层神经元动作电位发放的调控作用,为皮秒脉冲无创聚焦治疗脑部疾病技术提供了必要的工作基础和技术支撑。
【关键词】：皮秒脉冲 Marx电路 微带线 微电极芯片 神经元spike发放
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R741.044;TN782
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 目的及意义10-11
• 1.2 皮秒脉冲发生器研制的研究现状11-14
• 1.2.1 基于空气开关陡化和尾切技术的皮秒脉冲发生器的研究现状11-12
• 1.2.2 基于固态开关的皮秒脉冲发生器的研究现状12-14
• 1.3 细胞实验电极池研究现状14-15
• 1.4 神经调控的研究现状15-17
• 1.5 本文的主要工作17-20
• 2 基于微带传输理论的皮秒脉冲发生器的设计与研制20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 皮秒脉冲发生器的基本工作原理20-21
• 2.3 基于Marx电路原理的发生器研制21-28
• 2.3.1 Marx电路基本原理与结构设计21
• 2.3.2 Marx电路参数确定与器件选择21-25
• 2.3.3 Marx电路仿真分析25-26
• 2.3.4 未考虑杂散参数的PCB板性能测试26-28
• 2.4 引入微带传输理论的发生器研制28-32
• 2.4.1 微带传输基本原理与设计28-30
• 2.4.2 基于微带传输理论的皮秒脉冲发生器性能测试30-32
• 2.5 本章小结32-34
• 3 皮秒脉冲发生器的优化与改进34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 皮秒脉冲发生器输出波形仿真优化与性能测试34-38
• 3.2.1 皮秒脉冲发生器完整电路模型建立与仿真分析34-36
• 3.2.2 皮秒脉冲发生器输出波形仿真优化36-37
• 3.2.3 串联电感后的皮秒脉冲发生器性能测试37-38
• 3.3 基于渐变传输特性阻抗的发生器设计38-43
• 3.3.1 渐变传输特性阻抗设计39-40
• 3.3.2 PSPICE仿真分析40-41
• 3.3.3 发生器PCB板性能测试41-43
• 3.4 本章小结43-44
• 4 细胞实验电极的设计与研制44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 多细胞实验电极池的研制44-50
• 4.2.1 电极池装置设计44-47
• 4.2.2 电极池仿真分析47-49
• 4.2.3 电极池研制49-50
• 4.3 单细胞实验微电极的研制50-57
• 4.3.1 MEMS制作50-51
• 4.3.2 微电极尺寸设计51
• 4.3.3 MEMS加工工艺51-54
• 4.3.4 微电极仿真分析54-56
• 4.3.5 生物负载下皮秒脉冲性能测试56-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 皮秒脉冲调控大鼠运动皮层神经元spike发放的实验研究58-72
• 5.1 引言58
• 5.2 实验设计58-59
• 5.3 材料与方法59-63
• 5.3.1 实验材料59
• 5.3.2 实验设备59-60
• 5.3.3 动物准备60
• 5.3.4 数据采集及分析60-63
• 5.4 实验结果63-68
• 5.4.1 皮秒脉冲幅值对神经元电生理活动的影响63-64
• 5.4.2 皮秒脉冲重复频率及作用时间对神经元电生理活动的影响64-68
• 5.5 讨论68-69
• 5.6 本章小结69-72
• 6 结论与展望72-74
• 6.1 主要结论72-73
• 6.2 后续工作展望73-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-82
• 附录82-83
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录82-83
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目83

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本文编号：250981