多功能神经电刺激系统的设计及其在深部脑刺激实验研究中的应用

发布时间：2017-05-14 03:12

  本文关键词：多功能神经电刺激系统的设计及其在深部脑刺激实验研究中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：深部脑刺激(Deep brain stimulation, DBS)被认为是目前治疗癫痫、帕金森等脑部疾病的有效手段,也是脑科学研究的热点。为了进一步探究DBS的作用机制,寻求更加有效的刺激参数,DBS对于电刺激器的要求越来越高。常规电刺激器可输出的信号波形比较简单,参数的设置和改变不够灵活,这些因素阻碍了DBS的深入研究。为了解决此问题,本文设计了一种多功能神经电刺激系统。该系统以Lab VIEW编写的控制软件为核心,将软件生成的波形信号通过数据采集卡输出,控制通用型电刺激器产生复杂的刺激波形,实现了刺激波形的多样化。本文还利用该系统生成了多种不同的刺激模式,用于考察它们对于大鼠海马CA1区神经元群体兴奋性的作用。本文的创新点和主要研究结果如下：(1) 利用LabVIEW编程实现了多功能神经电刺激系统的控制程序。测试结果表明,该程序的用户界面简洁美观,可扩展性好,通用性强,能够驱动数据采集卡精确地输出所需的刺激波形。用户可以方便地设计并输出多种刺激波形用于电刺激实验。(2) 利用本系统生成了相同极性的单相脉冲与双相脉冲,考察大鼠海马CA1区神经元群体在刺激作用下的响应,并定量分析了不同刺激波形的作用效果。动物实验结果显示,在CA1区输出通道施加100 Hz持续高频刺激期间,刺激起始0.5 s时间内单相脉冲引起群峰电位的幅值下降率(54.2±21.3%,n=6)显著高于同极性(前相与其一致)的双相脉冲所引起的幅值下降率(39.0±10.2%,n=6),说明高频刺激时单相脉冲序列的作用效果比双相脉冲序列要强,但是单相脉冲可能会造成神经组织的损伤。(3) 设计了3种新型的刺激波形并考察了它们对于轴突阻滞的作用效果。基于常规的强度、频率都恒定的高频刺激(High frequency stimulation, HFS),本文设计了3种特殊的高频刺激,分别是强度线性递增的高频刺激、频率渐变的高频刺激以及间歇式的非连续高频刺激。大鼠在体实验显示,海马CA1区上游神经元群体对于轴突上的这3种HFS的响应与对常规HFS有所不同：强度线性递增的逆向高频刺激可以在实现轴突传导阻滞的同时避免产生大幅值群峰电位；在频率渐变的高频刺激下,轴突传导阻滞程度随着频率的升高而增大；在间歇式高频刺激中,被阻滞的轴突状态会在停顿的时间间隔内有所恢复,但恢复程度可能与停顿时长有关。总之,本文所设计的多功能神经电刺激系统,可以根据用户需求设计并输出多样化的刺激波形,输出精度高、通用性强,为电生理实验中刺激波形的获取提供了便利。实验结果显示,单相高频刺激对神经元群体的刺激作用强于前相与其一致的双相高频刺激,但同时,单相脉冲可能会对神经组织带来更大损伤；并且,本文所设计的3种新型刺激波形也具有一定的研究价值,为深部脑刺激研究提供了新思路。这些研究结果对于深入了解深部脑刺激的作用机制以及安全有效地推广其临床应用都具有重要意义。
【关键词】：深部脑刺激 电刺激器 刺激波形 LabVIEW 轴突传导阻滞
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R741
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 缩略词9-12
• 第1章 绪论12-16
• 1.1 研究目的及意义12-13
• 1.2 研究内容13-14
• 1.3 论文创新点14-16
• 第2章 神经电刺激器的应用与发展16-20
• 2.1 神经电刺激器的临床应用16-17
• 2.2 深部脑刺激对于电刺激参数的要求17-19
• 2.3 深部脑刺激器的研究进展19-20
• 第3章 多功能电刺激系统的设计与实现20-34
• 3.1 LabVIEW软件与NI USB-6251数据采集卡简介20-22
• 3.1.1 LabVIEW软件20-21
• 3.1.2 NI USB-6251数据采集卡及其LabVIEW控制方式21-22
• 3.2 输出模拟信号的刺激隔离器22-23
• 3.3 系统的软件设计23-34
• 3.3.1 主要的程序结构23-27
• 3.3.2 系统软件的总体结构27-34
• 第4章 系统测试结果34-46
• 4.1 系统软件界面与操作34-39
• 4.1.1 刺激波形生成36
• 4.1.2 刺激波形组合36-37
• 4.1.3 刺激波形输出37
• 4.1.4 系统功能列表37-39
• 4.2 系统性能测试39-46
• 4.2.1 输出波形的频率测试39-40
• 4.2.2 幅值线性变化的波形测试40-42
• 4.2.3 叠加波形测试42
• 4.2.4 频率渐变的波形测试42-43
• 4.2.5 组合后的波形测试43-46
• 第5章 电刺激系统在深部脑刺激研究中的应用46-58
• 5.1 动物实验及信号采集46-50
• 5.1.1 动物手术和电极植入46-47
• 5.1.2 记录电极与刺激电极47-49
• 5.1.3 电刺激作用效果的评价指标49-50
• 5.2 单相与双相脉冲高频刺激串作用的比较50-52
• 5.3 不同刺激模式的作用52-58
• 5.3.1 强度线性递增的高频刺激的作用52-54
• 5.3.2 频率渐变的高频刺激的作用54-55
• 5.3.3 间歇式高频刺激的作用55-58
• 第6章 讨论58-62
• 6.1 多功能神经电刺激系统的特点58-59
• 6.2 单相和双相脉冲刺激对于神经元的作用分析59
• 6.3 不同刺激模式下神经元群体响应的分析59-62
• 6.3.1 强度线性递增的高频刺激对于神经元群体兴奋性的影响60
• 6.3.2 频率渐变的的高频刺激对于神经元群体兴奋性的影响60-61
• 6.3.3 间歇式非连续高频刺激对于神经元群体兴奋性的影响61-62
• 第7章 总结与展望62-64
• 参考文献64-70
• 致谢70-71
• 作者简历71-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文72

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