【摘要】：神經(jīng)電刺激方法通過向人體體內(nèi)施加電流,能夠直接調(diào)控神經(jīng)回路和神經(jīng)功能,在治療人類神經(jīng)系統(tǒng)疾病上發(fā)揮了巨大的作用。傳統(tǒng)的植入式電極在時間和空間上具有較高的分辨率,所以在臨床上得到了廣泛的運(yùn)用。但是植入式電極往往伴隨著較高的手術(shù)成本以及對人體的創(chuàng)傷性,所以非侵入式的、無創(chuàng)傷的經(jīng)顱電刺激技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)顱電刺激技術(shù)在頭皮上施加恒定、低強(qiáng)度的電流,以無創(chuàng)傷的方式調(diào)節(jié)大腦皮層的神經(jīng)活動。非侵入式的經(jīng)顱電刺激需要同時兼顧空間上的聚焦度和穿透深度,在技術(shù)上仍然面臨著較大的挑戰(zhàn)。采用對人體組織具有更好穿透性的中頻電流、分析電流在體內(nèi)的作用機(jī)制是實現(xiàn)以上要求的重要手段之一。本文以時間干涉電流刺激神經(jīng)系統(tǒng)為研究對象,建立了涵蓋電場和神經(jīng)離子通道的數(shù)值分析模型,分析了預(yù)調(diào)制包絡(luò)電流和時間干涉電流刺激神經(jīng)的作用機(jī)制,提出了一種具有高聚焦度的神經(jīng)電刺激方法,完成了以下三方面的工作:1.從電場和神經(jīng)動作電位兩個角度,分析預(yù)調(diào)制中頻包絡(luò)電流在體內(nèi)的作用機(jī)制:中頻電流對人體組織的穿透性以及神經(jīng)的低頻響應(yīng)特性。本節(jié)詳細(xì)分析了最佳載波頻率的選擇以及不同形狀的電極在體內(nèi)的電場分布,設(shè)計了一種具有高聚焦度的同心方環(huán)電極。2.建立涵蓋電場和神經(jīng)離子通道的數(shù)值分析模型,闡述時間干涉電流在體內(nèi)的作用機(jī)制。建立單神經(jīng)節(jié)和多神經(jīng)節(jié)模型,并基于兩個電場的時域疊加原理分析時間干涉電流刺激神經(jīng)的作用機(jī)制:神經(jīng)興奮發(fā)放動作電位、神經(jīng)疲勞性和神經(jīng)傳導(dǎo)阻滯。3.提出了一種具有高聚焦度的神經(jīng)電刺激方法:綜合多種調(diào)制方式(包括了頻率、極性、時分調(diào)制)的高精度刺激方法。該方法有兩種具體的應(yīng)用形式:陣列電極和大腦聚焦刺激。本文從電場-神經(jīng)離子通道的數(shù)值分析模型以及生理鹽水實測得到的刺激電流波形對神經(jīng)的作用效果兩個方面,驗證了該方法的正確性以及聚焦度。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R741.05;TM15
【圖文】：

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文的電路模型準(zhǔn)確描述了細(xì)胞膜的離子通道模型和電壓變化。外界電流能夠打開和關(guān)閉細(xì)胞膜，并導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞膜電壓發(fā)生變化。大量的神經(jīng)電生理和神經(jīng)電刺激研究[12,13]都基于 HH 模型展開討論，通過膜片鉗技術(shù)在具體的神經(jīng)細(xì)胞上測得細(xì)胞膜的電壓，擬合具體的離子通道方程，如 McIntyre-Richardson-Grill （MRG）模型[14]等，為神經(jīng)電刺激的數(shù)值分析模型和機(jī)制分析提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

50 種不同形狀用于經(jīng)顱磁刺激的線圈，經(jīng)顱磁刺激的刺激精度只能達(dá)到厘米級別，在穿透深度和聚焦度上存在折中。近年來，經(jīng)顱電刺激和經(jīng)顱磁刺激一直在努力的方向是，同時兼顧穿透深度和聚焦度。直流電或低頻電流的電場值越大，越能誘發(fā)神經(jīng)興奮，即大腦中的激活區(qū)域位于感應(yīng)電場區(qū)域的最大值處。毫無疑問，增大施加電流的強(qiáng)度，能夠刺激到更深區(qū)域的神經(jīng)。但是都會帶來兩個問題，一是電流會在體內(nèi)發(fā)生不同程度的擴(kuò)散[20]，刺激精度大大降低；二是人體的耐受程度，刺激電流不能超過人體的耐受范圍。Parra 團(tuán)隊[7]提出的 4×1 環(huán)繞電極刺激方法，傳遞到大腦表層的電流密度增加，并且該方法的刺激精度優(yōu)于傳統(tǒng)的兩片分立式電極。在大腦內(nèi)部電場相互疊加的地方，神經(jīng)元發(fā)生最強(qiáng)的跨膜去極化，而頭皮的局部電流強(qiáng)度可以按照電極對的數(shù)目成比例的下降，如圖 1-2 所示。對比傳統(tǒng)的兩片分立式電極，4×1 環(huán)繞電極具有更好的刺激精度和靈活性，可以根據(jù)個體的精確大腦 MRI 模型，用遺傳算法[21]優(yōu)化四周的四個電極的位置，進(jìn)而精準(zhǔn)地刺激對應(yīng)的腦區(qū)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 羅帥濤;基于ARM與FPGA的中頻干擾電療儀[D];東南大學(xué);2018年

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本文編號：2733561