脊髓微激励信号幅值对大鼠后肢运动的调控研究

发布时间：2020-12-08 07:24

　　脊髓功能电刺激能诱发因损伤或病理引起的运动功能缺损患者的肢体运动。然而,当前脊髓微激励信号参数对啮齿类动物后肢运动的调节机制尚未明确。为此,通过调节脊髓微激励信号的幅值,对大鼠后肢关节产生伸展响应和屈曲响应时各关节角度的变化值进行定量分析。实验分析表明:大鼠后肢产生伸展响应时,髋关节、膝关节与踝关节的角度变化值与刺激信号幅值的决定系数R~2分别为0.58、0.87、0.74;产生屈曲响应时各关节的角度变化值与刺激信号幅值的决定系数R~2分别为0.81、0.69、0.47。研究结果表明:大鼠后肢运动的各关节角度变化值与刺激幅值具有高度相关性。大鼠后肢产生伸展响应的最佳刺激信号的幅值范围为(40±5)μA;产生屈曲响应的最佳刺激信号的幅值范围为(80±10)μA。研究结果可为进一步研制后肢步态调控用脊髓刺激器提供参考。 

【文章来源】：南通大学学报(自然科学版). 2019年02期 第19-23+48页

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

大鼠后肢骨架与矢状面运动模型示意图

米?晷畔⒆?晃??应的关节角度。对每一只动物，我们量化了不同刺激幅值下大鼠后肢产生伸展响应与屈曲响应两种状态下的各关节角度的变化（从初始角度开始）。以一次伸展响应为例，数据采集与处理过程如图2所示。选取的变量是从刺激前的基线角度到刺激时各关节形成的角度之间的变化范围。最终绘制出6只大鼠在不同刺激幅值下各关节角度变化的平均值和标准偏差（mean±SD）的柱状图。135.000104.300154.741（a）OpenMV与大鼠后肢实物图（b）OpenMVIDE颜色标签识别与数据采集（c）Processing软件的数据处理与仿真图2大鼠后肢数据采集与处理过程Fig.2Datacollectionandprocessingofhindlimbofrat1.4统计分析利用MATLAB软件对髋关节、膝关节以及踝关节的角度变化值与刺激电流的幅值之间的相关性进行最小二乘回归分析。决定系数R2的计算公式为，（4）其中：T=S+E，T为总平方和；S为回归平方和；E为残差平方和；y为实际值；f为预测值；为实际值的平均值。决定系数R2决定了相关的密切程度，越接近1，说明因变量与自变量两者之间越有关联。实验结果用SPSS软件进行统计分析。不同刺激幅值下的各关节角度进行单因素方差分析比较，双侧p<0.05设定为差异具有统计学意义。2实验结果与分析实验结果选取大鼠后肢产生伸展响应与屈曲响应时的后肢各关节角度变化值。不同刺激幅值产生的各组关节角度之间的差异具有统计学意义（p<0.05）。2.1伸展响应在大鼠后肢产生伸展响应实验中，设定每次刺激电流的幅值分别为10、15、20、25、30、35、40、45和50μA。大鼠后肢髋关节、膝关节和踝关节对应的角度变化平均值随刺激电流幅值的变化趋势如图3所示。当刺激电流为10~40μA时，髋?

·22·南通大学学报(自然科学版)2019年度变化呈上升趋势；当刺激电流>45μA时，膝关节的角度变化开始减校当刺激电流为10~40μA时，踝关节的角度变化持续上升；之后继续增大刺激电流幅值，踝关节的角度变化值开始减少。I/μA髋关节膝关节踝关节角度变化平均值/（°）102001051520253035304050图3伸展响应时大鼠后肢各关节角度变化平均值随刺激电流幅值的变化趋势图Fig.3Thetrendchartofthemeanvalueofthechangeintheangleofeachjointofhindlimbsofratswiththeamplitudeofthestimulationcurrentduringtheextensionresponse当大鼠后肢产生伸展响应且动作幅度增大阶段时，髋关节、膝关节与踝关节的角度变化平均值与刺激电流幅值的线性回归关系如图4所示，决定系数R2分别为0.58（见图4（a），p<0.05），0.87（见图4（b），p<0.001），0.74（见图4（c），p<0.05），这说明各关节的角度变化与刺激电流幅值高度相关。2.2屈曲响应在大鼠后肢产生屈曲响应实验中，设定每次刺激电流的幅值分别为20、30、40、50、60、70、80、90和100μA。大鼠后肢髋关节、膝关节和踝关节对应的角度变化平均值随刺激电流幅值的变化趋势如图5所示。当刺激电流为20~90μA时，髋关节角度变化呈上升趋势；达到极值后继续增加刺激电流，髋关节的角度变化值减校当刺激电流为20~90μA时，膝关节的角度变化持续增大，在刺激电流为90μA时，达到极值的状态；继续增大刺激电流，膝关节的角度变化开始减校当刺激电流为20~80μA时，踝关节的角度变化显著增大；继续增大刺激电流，踝关节的角度变化呈下降趋势。大鼠后肢产生屈曲响应时，需要的阈值电流比产生伸展响应的阈值电流更大。在屈曲响应中，

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于脊髓内功能电激励的大鼠后肢运动选择性控制[J]. 沈晓燕,王志功,马磊,吕晓迎,杜薇,陈轶,陶春伶.  生物医学工程学杂志. 2018(06)
[2]基于椎管内微刺激的大鼠后肢运动脊髓功能核心区域测定[J]. 陈轶,马磊,杜薇,沈晓燕.  生物医学工程学杂志. 2017(04)



本文编号：2904707