低能量光脑功能疾病刺激技术与可靠性研究

发布时间：2020-09-04 15:16

　　随着世界老龄化进程的加快,越来越多的老年人患上了脑功能疾病。脑功能疾病的共有特点是大脑某个区域的神经环路功能的瓦解、失效,从而导致患者在认知、行为、语言等方面出现障碍。因为病因特殊以及现有治疗方法的固有局限性,脑功能疾病疗法的研究进程缓慢。低能量光疗法是一种无创、无痛、便捷、廉价治疗方法,自从1967年被发现以来,就一直受到了科研人员的广泛关注。这种方法直接刺激细胞,促进细胞的呼吸作用,加快细胞的更新速度,可能会唤醒已经失效的神经环路。将低能量光疗法用于脑功能疾病是一种有效的尝试,可以促进低能量光疗法在脑功能疾病治疗上的发展。本文基于低能量光疗法设计、研制出一套低能量光脑功能疾病刺激系统,该系统可以根据用户的选择在全脑或者大脑的某个特定区域发出特定能量、特定频率的光。首先介绍了脑功能疾病的现状以及现有治疗方法的治疗效果;根据文献内容总结了低能量光疗法的原理,从技术上阐明了用低能量光疗法治疗脑功能疾病的可行性,并介绍了低能量光在脑功能疾病上应用的历史和现状。之后利用利用蒙特卡罗的仿真方法,模拟出光子在人体头部的传输特性,优化低能量光疗法在脑功能疾病上应用的刺激方案。接下来设计并完成了基于低能量光的脑功能疾病的刺激系统和监测系统的硬件和软件。对于硬件部分,根据完成功能的不同,可以分为逻辑模块、数模转换模块以及恒流源电源驱动模块等,这些模块相互独立,通过导线传输信号;对于软件部分,也可以根据完成功能的不同将该部分分成两个部分,界面部分和后台运行部分,这两个部分分别由一个线程独立完成,线程之间通过全局变量传输信息。为了保证系统能够达到最好的运行状态,本文还设计了外部支持系统帮助维持系统的功能。在系统完成后,本文设计了一系列的测试来验证系统的可靠性,主要包括功能性测试、稳定性测试和外部支持系统的测试,以验证系统的准确性和稳定性。通过人体实验发现低能量光刺激能够有效的提高组织的血流和氧消耗量,表明该系统是有效、安全的。这些实验结果证明了低能量光疗法在脑功能疾病刺激治疗上的巨大潜力。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O439;R749.05
【部分图文】：

低能量,光照射,活性氧

CCO 在细胞呼吸作用的最后一个阶段（呼吸电子传递链阶段）担任重要的作用，光子的能量传递给 CCO，会大大增加 CCO 的活性，CCO 活性增加的越多，线粒体就会产生越多的 ATP，细胞内相关的生化反应就会加快[12]。另外，低能量光还会将细胞内原本存储的一氧化氮释放出来[13]，而一氧化氮又会促进血管的舒张，从而加快身体的血液循环[14]。除此之外，研究人员还发现，对于低能量光疗法，并不是光强越强越好，光强与疗效呈现出一个双向性的结果[11, 14]，刚开始，疗效随着光强的增加而慢慢的增加，之后疗效会达到一个最高点，这时疗效会随着光强的增加而减低，这种情况与细胞中产生的活性氧（ROS）有关。研究人员认为在细胞中，存在两种活性氧，一种好的活性氧，一种坏的活性氧。好的活性氧在细胞被较低光强的低能量光照射时产生，其可以作为调控氧化还原反应的信号，促进细胞产生更多的 ATP，同时好的活性氧也可以促进细胞核内的转录，加快细胞的生化反应；随着光照强度的增加，细胞减少好的活性氧的合成，增加坏的活性氧的合成，坏的活性氧会破坏线粒体从而破坏细胞的呼吸作用，降低 ATP 的产量[14]。图 1-1 显示的是细胞内部受到低能量光照射时发生的一些反应。

低能量,组织模型,模拟仿真,仿真软件

癌症[18]、缓解疼痛[19]、治疗脑卒中[20-21]、治疗神经性疾病[22-23]、改善（如图 1-2 所示）。虽然经过了五十多年的发展，但是科研人员对于低背后的具体原理现在尚不清楚。中国对于低能光疗法的研究起步较晚，世纪才有研究机构、科研院所开始研究低能量光的作用。接下来本小结路径的仿真、动物实验以及人体实验分别介绍低能光疗法在脑功能疾病。低能量光传输特性模拟仿真软件是基于蒙特卡罗方法实现的，总共经历发展，第一代 Wang 和 Jacques 编写的 MCML 是第一款能够模拟仿真中传播路径的软件[26]，在相当长的一段时间内，该方法一直被认为是光织内传播路径仿真结果的金标准，但是该方法存在一个致命的缺陷，即合做 3D 的模型结构仿真；第二代是 Boas 小组开发的 tMCimg[27]，该 3D 的组织模型进行仿真；第三代是华中科技大学的李婷博士开发的 M[28-29]，这是一个基于体素的 3D 组织模型仿真软件，该软件的运行结L 和 tMCimg 的运行结果有很好的一致性，同时稳定性和精确度要远代的仿真软件。

变化曲线,光谱波长,系数,变化曲线

文利用近红外光谱作为低能量光脑功能疾病刺激的监测技术，方便激效果。近红外光谱技术的主要原理是利用组织内不同吸收色团对有不同的吸收系数来计算相应吸收色团的浓度[34-35]，人体中 80%的水对各个波长光的吸收系数差异较大，会对组织内其他吸收色团产生光谱技术利用 700~900 nm 的光作为一个光学窗口，如图 1-3 所示，水的吸收系数基本为 0，主要的吸收色团是脱氧血红蛋白和含氧血红蛋水对该窗口内光的吸收系数较小，因此光可以达到深层组织，检测更液参数。近红外光谱技术在三十年前刚被提出的时候主要用在肌肉乳腺检测[37-38]，之后，慢慢的发展到用该方法检测大脑的血液动力学该方法有很多优点，包括：无创性检测，只用光的方法进行检测，完全项技术可以检测多个血液动力学参数，比如脱氧血红蛋白浓度、含氧和氧饱和度；实时检测，该方法可以实时的检测血液动力学参数的变、成本低廉，便于融入到便携式设备中，该技术具有巨大的潜力，因人员的广泛关注。

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