【摘要】：脊髓損傷(Spinal Cord Injury,SCI)導(dǎo)致?lián)p傷部位以下的運(yùn)動和感覺功能的喪失,因而也經(jīng)常導(dǎo)致膀胱功能部分或完全的喪失。SCI患者往往同時面臨著膀胱貯尿和排尿雙重功能障礙,如果不及時治療最終可能導(dǎo)致腎衰竭,這也是導(dǎo)致SCI患者后期死亡的第一位原因。SCI后膀胱功能障礙的患者數(shù)目眾多、發(fā)病率高,嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量、心理和社會交往,對患者家庭和社會造成沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此,恢復(fù)與重建SCI患者的膀胱功能,對于提高這些患者的生活質(zhì)量、降低死亡率具有十分重要意義。胃食管反流病(Gastro-esophageal Reflux Disease,GERD)被定義為胃內(nèi)容物反流入食管,導(dǎo)致一系列的不適癥狀和(或)并發(fā)癥的一種疾病。GERD是全世界最常見的消化道疾病之一,而且在人群中發(fā)病率高。據(jù)統(tǒng)計,全世界范圍內(nèi),大約有2.5億個GERD患者。GERD不僅嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量,還造成了沉重的經(jīng)濟(jì)和社會負(fù)擔(dān),其治療方法也成為了全世界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。基于課題組前期實(shí)行的“先外周后中樞”和“先體外后體內(nèi)”研究路線,目前肌電橋(EMGB)系統(tǒng)(“體外”)已進(jìn)入臨床認(rèn)證階段,所以在前期的工作基礎(chǔ)上,本文主要圍繞應(yīng)用于SCI后膀胱功能重建和治療GERD相關(guān)的植入式(“體內(nèi)”)神經(jīng)肌肉電刺激電子系統(tǒng)設(shè)計以及實(shí)驗(yàn)開展研究。主要研究內(nèi)容如下:1)電極配置選擇和刺激波形參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)探索合適的電極配置和刺激參數(shù),旨在不改變系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計的前提下,進(jìn)一步地提高刺激器的性能。為此,本文討論不同電極配置、不同脈寬比和不同IPG(Interphase Gap)對神經(jīng)電刺激的影響,為植入NMES系統(tǒng)電路系統(tǒng)設(shè)計提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。2)用于膀胱功能控制的神經(jīng)刺激器電路設(shè)計。采用集成電路設(shè)計的方法設(shè)計刺激器,能夠產(chǎn)生滿足治療SCI后膀胱功能障礙的刺激脈沖。刺激器電路設(shè)計主要包括DAC、電流驅(qū)動電路和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電路。3)用于膀胱功能重建的神經(jīng)信號探測前端電路設(shè)計。采用集成電路設(shè)計的方法設(shè)計神經(jīng)信號探測前端電路,用于骶神經(jīng)神經(jīng)信號探測,識別膀胱狀態(tài)信息。探測前端電路設(shè)計主要包括OTA設(shè)計和反饋偽電阻設(shè)計。另外,從理論上分析神經(jīng)探測前端的噪聲。4)體內(nèi)無源型食管下括約肌電刺激系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)驗(yàn)研究。基于信號無線跨皮傳輸技術(shù),設(shè)計用于治療GERD的體內(nèi)無源型食管下括約肌電刺激系統(tǒng)。然后,利用生物相容性材料對系統(tǒng)的體內(nèi)部分進(jìn)行封裝,并對封裝后系統(tǒng)的信號特性和位置失匹配進(jìn)行測試。最后,利用所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行LES電刺激實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證系統(tǒng)的安全性和有效性。本文所涉及的創(chuàng)新點(diǎn)如下:1)研究不同電極配置、不同脈寬比和不同IPG對神經(jīng)電刺激的影響,得出以下結(jié)論:縱向三極電極配置所需的刺激閾值電流最低,這一點(diǎn)對植入式刺激器的低功耗設(shè)計非常有利;橫向電極配置的選擇性比縱向配置的好,因?yàn)闄M向電極配置擁有較大的動態(tài)范圍可供調(diào)節(jié)。從肌肉力量精細(xì)控制角度考慮,橫向電極配置更適合。脈寬比為1:6的非對稱雙相電荷平衡脈沖很好地結(jié)合單相脈沖閾值低和雙相脈沖電荷平衡二者的優(yōu)點(diǎn)。為了使隨后的陽極相不影響陰極相所引起的動作電位的傳播,需要在兩個刺激相間加個IPG,實(shí)驗(yàn)得到陰極脈寬為50μs時最佳的IPG為300μs,因?yàn)榇藭r具有較低的閾值,同時還獲得較大的最大EMG響應(yīng)幅度和最大的動態(tài)范圍。這些結(jié)論為植入NMES系統(tǒng)電路系統(tǒng)設(shè)計提供了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。2)刺激器一方面采用電流型DAC和電流驅(qū)動直接實(shí)現(xiàn)電流模式刺激,不需要電壓-電流轉(zhuǎn)換電路,顯著地降低了刺激器的功耗;另一方面采用同一個電流源和一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)雙相刺激電流脈沖,消除了用兩個獨(dú)立電流源分別生成陰極和陽極電流,節(jié)省了芯片面積且減少了控制信號互連線。另外,采用對稱可調(diào)的共源共柵電流鏡作為電流驅(qū)動電路。該方法結(jié)合了壓控電阻技術(shù)和電流鏡的線性兩者的優(yōu)點(diǎn),能夠獲得高的電壓容限和高的輸出阻抗,確保有效地發(fā)送電荷到生物組織上。3)神經(jīng)探測前端電路采用了兩級全差分電容岕合的運(yùn)放結(jié)構(gòu)。全差分結(jié)構(gòu)具有高的共模抑制比和高的電源抑制比,能夠抑制共模噪聲和源自電源紋波和數(shù)字電路干擾。采用兩級信號放大是為了獲得足夠大的增益,且保證良好的線性度。采用電容耦合放大器結(jié)構(gòu)是了隔斷電極-組織接口電化學(xué)反應(yīng)引起的直流偏移。第一級采用套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)運(yùn)放降低系統(tǒng)的噪聲,而第二級采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)優(yōu)化擺幅。與先前研究相比,該神經(jīng)信號探測前端電路具有低噪聲、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。4)設(shè)計了一種體內(nèi)無源型食管括約肌電刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用信號無線跨皮傳輸技術(shù),刺激信號是通過體外發(fā)射電路經(jīng)線圈耦合的方式傳輸?shù)襟w內(nèi),具有電路結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)可靠性好、體積小、壽命長和成本低的特點(diǎn)。體內(nèi)設(shè)計成無源的結(jié)構(gòu),解決了傳統(tǒng)植入式器件電池供電所帶來的問題。另外,醫(yī)生可依據(jù)患者的情況,通過無線程序控制及時有效地調(diào)整刺激參數(shù),以便對不同患者進(jìn)行個性化的治療。
【圖文】：

．２神經(jīng)肌肉電刺激逡逑２．１神經(jīng)肌肉電刺激的工作原理逡逑神經(jīng)肌肉電刺激（Ｎｅｕｒｏｍｕｓｃｕｌａｒ邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ，，邋ＮＭＥＳ）的基本原理是的方式發(fā)送一定電荷到目標(biāo)神經(jīng)組織產(chǎn)生動作電位，誘發(fā)恰當(dāng)?shù)纳窠?jīng)或肌肉響應(yīng)，達(dá)到恢復(fù)希望的功能目的［１９］。幾十年來，通過工程師和醫(yī)生不懈協(xié)同地努力，ＮＭ

１．２．２．２經(jīng)皮ＮＭＥＳ系統(tǒng)逡逑經(jīng)皮ＮＭＥＳ系統(tǒng)通過手術(shù)將電極植入目標(biāo)神經(jīng)肌肉，然后通過經(jīng)過皮膚的連接線與逡逑外部刺激器相連。圖１－５給出了邋Ｃｈａｅ等人設(shè)計的用于腦卒中偏癱患者的經(jīng)皮手神經(jīng)假逡逑體系統(tǒng)［３Ｇ］。該系統(tǒng)的刺激器通過經(jīng)皮導(dǎo)線直接與多個肌內(nèi)電極連接，其刺激強(qiáng)度受腕部逡逑角度傳感器、肩部位置傳感器和肌電（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｙｏｇｒａｐｈｙ，邋ＥＭＧ）控制器三種方式控制，逡逑但每次只有一種控制方式有效。研究表明該系統(tǒng)有助于提高痙攣性偏癱患者手部功能康逡逑復(fù)。逡逑外部連接器逡逑Ｅ邋Ｍ邋（３探測電極一—邐Ｉ邐肩部位置傳感器逡逑腕部位置傳感器．，邐ｉ逡逑外部刺激器＾＾邋ｕ逡逑圖１－５用于腦卒中偏癱患者的經(jīng)皮式手神經(jīng)假體系統(tǒng)示意圖逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN402;R651.2;R571

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2596442