神经光电组合刺激技术及实验装置研究

发布时间：2020-09-07 13:34

　　神经系统在人体内是起主导作用的系统。机体内、外环境各种各样的信息,被感受器接收之后,通过外周末梢神经传递给脑和脊髓的各级中枢神经进行整合,再返回给外周神经进行控制和调节机体的各个系统和器官活动,以维持机体内、外界环境相对的平衡。神经是支配人类活动的重要组成部分,一旦人的神经受损,人类运动将无法进行。神经纤维的电位变化是神经传导的一个重要表征,所有的神经传导都是靠电位的变化产生的。在神经科,因为神经功能障碍导致半瘫或全瘫的病人每年都在增加,现在康复治疗是愈后作用比较大的一种手段,电刺激,红外激光刺激,化学药品敷料等都是有作用的,并且也有很多产品问世。但是化学方法所使用敷料或是药品里面含的化学试剂,有可能会对神经组织产生无法恢复的损伤,而且化学药剂由于对人体的损伤有不确定的潜伏期,因此并不适合长期的病痛患者使用。电刺激会对电极周围的组织产生一定的电损伤,而且无法选择点对点刺激,长期植入体内供电也是难题。另外一种是红外脉冲激光刺激神经组织,其优点是不用跟组织接触,由于激光聚焦集中,作用在神经上的光点小,能对神经实现选择性的刺激。但是激光的能量不好控制,很容易造成周围组织的灼伤。为了解决这种问题,很多科学家开始研究具有创新意义的组合刺激方法,比如光刺激,化学刺激和电刺激两两结合的刺激方法来解决单一刺激无法弥补的问题。基于以上的一些研究背景,本文提出了基于碳纳米颗粒增强作用的光电组合神经调控技术,并设计和搭建了蛙坐骨神经光电组合刺激实验装置。具体研究工作如下:1.设计并搭建了蛙坐骨神经光电组合刺激实验装置,包括激光器、电刺激器、光刺激跟电刺激的同步控制电路、神经卡夫电极、多通道生理信号采集仪、笔记本、磁力底座三维推进器等。2.设计并制作了基于柔性电路板(FPC)加工工艺的三电极卡夫电极环,用作电刺激时的刺激电极和神经动作电位记录电极,减轻对神经损伤的同时,并最大限度收集神经束中所有神经纤维的电信号。3.设计了光电刺激同步控制电路。本试验要对蛙坐骨神经进行光电同步刺激,所以设计了一个根据电刺激信号同步输出一个控制激光的脉冲信号电路,此同步控制电路基于STC89C52单片机的PWM信号。4.建立了光电组合刺激神经的理论模型,利用有限元分析软件COMSOL对电刺激神经时周围的电场分布进行求解,并用蒙特卡洛算法对激光的传播和生物组织接受光照射后温度分布进行计算,最后将所得电场信号和温度信息传输到NEURON软件建立的神经模型中进行相关理论研究。5.开展了纳米颗粒增强下的光电组合神经刺激实验研究,包括纳米颗粒增强测试、激光对电刺激的影响,电刺激对阻断神经动作电位所需激光能量的影响,环境温度对电刺激的影响。本论文对神经功能电刺激和近红外激光组合刺激在神经修复方面进行了研究,设计了环状卡夫电极保护神经组织,运用碳纳米颗粒材料增强光电刺激的影响,并从理论和实验两方面研究了光电组合刺激对神经动作电位的影响,为光电刺激在临床神经功能修复上的运用提供了理论参考,加快了光刺激在神经修复中的应用进程。
【学位单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R496
【部分图文】：

动作电位,离子通道,静息电位

逡逑动作电位产生的过程大致如图２．１所示。逡逑＋３５邋｜｜１｜逦逦逦逡逑＞逦／＼锋电位逡逑赵0逦：丨」N逡逑王马ｊｓ毕三与逡逑－５０逦（２）逦阈电位逡逑－７０－邋１邋逦静息电位逡逑土＝知逡逑０逦２３４５６７逡逑刺激逡逑图２．１动作电位形成过程逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｔｈｅ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ａｃｔｉｏｎ邋ｐｏｔｅｎｔｉａｌ逡逑（１）静息电位，在细胞没有受到刺激时的电位，这时呈现出细胞内的Ｎａ离逡逑子浓度比细胞外的低的多，细胞膜外部的Ｎａ离子有顺着浓度差往细胞内扩散逡逑的趋势，但是Ｎａ离子通道是关闭的。逡逑⑵局部电位，在细胞受到刺激，但是电位还未达到产生动作电位的阈值时逡逑的动作电位，此时有少量兴奋性比较高的Ｎａ离子通道打开，少量Ｎａ离子向细逡逑胞膜内部扩散，细胞膜内外的电位差减少，产生一定的去极化过程。逡逑⑶去极化过程，当电位差不断的减少，达到阈值电位时，细胞膜上的大量逡逑Ｎａ离子通道打开

心脏起搏器,动作电位,离子通道

人工耳蜗,除颤器

逡逑最完善的是美敦力公司的植入式除颤器，如图２．２所示。最新一代心脏再逡逑同步除颤器Ｖｉｖａ邋ＸＴ邋ＣＲＴ－Ｄ和埋葬式心率转复除颤器Ｅｖｅｍ邋Ｓ邋ＣＩＤ，这两种除颤逡逑器电池使用寿命更长，功能更智能化，更加符合人体的生理。同时还有圣犹达逡逑（ＳＪＭ），百多力（ＢＴＫ）等公司的产品。这些就奠定了邋ＦＥＳ在科学领域的技逡逑术基础，同时大量的科学研宄成果进入临床，为广大的病患提供减轻病情，缓逡逑解病痛，对人类做出巨大的贡献。逡逑功能性电刺激的另外一种比较成熟的产品是如图２．３所示的电子耳蜗，也逡逑就是植入式助听器。用微型话筒配合计算机处理技术，对耳蜗基底膜的听神经逡逑末梢进行ＦＥＳ刺激以重建听觉。人工耳蜗是一种帮助恢复听力和言语交流的生逡逑物医学工程技术

【参考文献】