發(fā)布時間：2017-03-15 21:54

  本文關鍵詞：用于神經(jīng)調(diào)控的皮秒脈沖刺激系統(tǒng)研制及初步動物實驗研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：腦重大疾病以其高發(fā)病率、高致殘率和高致死率給患者的家庭和生活帶來沉重的負擔。此類疾病究其電生理本質(zhì)為神經(jīng)元的過度同步放電,而其根本誘因則是神經(jīng)元動作電位的異常改變�，F(xiàn)有研究表明,電場脈沖(根據(jù)脈寬不同,可分為微秒、納秒及皮秒脈沖)可通過調(diào)控細胞動作電位、繼而實現(xiàn)相應的生物學效應。近年來,脈寬為皮秒級的超短脈沖匹配超寬帶時域天線以其優(yōu)異的方向性和精細的操控性在生物醫(yī)學無創(chuàng)治療領域得到廣泛關注,可有效避免現(xiàn)有臨床治療手段的缺點和不足,有望為腦重大疾病的靶向無創(chuàng)調(diào)控提供一種全新的策略。然而,皮秒脈沖電場對細胞生物效應的機理研究仍處于一個探索階段,皮秒脈沖調(diào)控神經(jīng)元動作電位發(fā)放的研究更尚屬空白。而前述研究工作順利的開展,則有賴于皮秒脈沖刺激系統(tǒng)的成功研制,其中包括皮秒脈沖發(fā)生器與實驗電極。為此,本文在國家自然科學基金青年科學基金項目(51307187)的支持下,成功研制出了用于神經(jīng)調(diào)控的皮秒脈沖發(fā)生器及細胞實驗開展所必需的電極,并通過動物實驗初步探索了皮秒脈沖對動物在體神經(jīng)調(diào)控作用。取得的主要成果有:(1)基于傳統(tǒng)Marx電路原理并引入微帶傳輸理論,研制出一臺便攜式緊湊型皮秒脈沖發(fā)生器(18 cm×18 cm×4 cm)。該裝置可在50Ω衰減器負載上產(chǎn)生最大峰值電壓1200 V,半高寬550 ps,上升時間150 ps,重復頻率0~10 k Hz的高穩(wěn)定性高重復頻率皮秒脈沖。(2)基于PSPICE電路仿真軟件,建立引入微帶線的Marx電路模型,通過仿真探尋輸出脈沖波形畸變的原因,并在此基礎上優(yōu)化皮秒脈沖輸出波形。仿真與性能測試結(jié)果表明,串聯(lián)諧振電感可以消除皮秒脈沖快速抖動的毛刺;基于漸變傳輸理論并在終端采用10 p F銳化電容,可得到幅值更高脈寬更窄的皮秒脈沖。(3)基于微波傳輸理論,采用MEMS制作工藝,研制了適用于不同實驗的兩種電極裝置:一種用于多細胞微觀物質(zhì)含量檢測;另一種便于顯微鏡下實時觀察,兩者細胞懸浮液中均可產(chǎn)生理想的皮秒脈沖電場。以上細胞實驗電極的研制為后期皮秒脈沖調(diào)控神經(jīng)元的機理研究奠定良好工作基礎。(4)基于皮秒脈沖發(fā)生器及Cerebus多通道神經(jīng)信號采集系統(tǒng)等實驗平臺,以大鼠在體運動皮層神經(jīng)元為實驗對象,探討不同皮秒脈沖參數(shù)(幅值、重復頻率、作用時間)對神經(jīng)元電生理活動的影響,揭示了神經(jīng)元動作電位的發(fā)放與施加皮秒脈沖參數(shù)的關系。綜上所述,論文通過引入微帶傳輸理論與漸變傳輸理論,設計并研制出便攜式緊湊型皮秒脈沖發(fā)生器,基于同軸傳輸理論和MEMS制作工藝研制出多細胞電極池與單細胞微流控系統(tǒng),并初步探討了皮秒脈沖對大鼠運動皮層神經(jīng)元動作電位發(fā)放的調(diào)控作用,為皮秒脈沖無創(chuàng)聚焦治療腦部疾病技術(shù)提供了必要的工作基礎和技術(shù)支撐。
【關鍵詞】：皮秒脈沖 Marx電路 微帶線 微電極芯片 神經(jīng)元spike發(fā)放
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R741.044;TN782
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-20
• 1.1 目的及意義10-11
• 1.2 皮秒脈沖發(fā)生器研制的研究現(xiàn)狀11-14
• 1.2.1 基于空氣開關陡化和尾切技術(shù)的皮秒脈沖發(fā)生器的研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 基于固態(tài)開關的皮秒脈沖發(fā)生器的研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3 細胞實驗電極池研究現(xiàn)狀14-15
• 1.4 神經(jīng)調(diào)控的研究現(xiàn)狀15-17
• 1.5 本文的主要工作17-20
• 2 基于微帶傳輸理論的皮秒脈沖發(fā)生器的設計與研制20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 皮秒脈沖發(fā)生器的基本工作原理20-21
• 2.3 基于Marx電路原理的發(fā)生器研制21-28
• 2.3.1 Marx電路基本原理與結(jié)構(gòu)設計21
• 2.3.2 Marx電路參數(shù)確定與器件選擇21-25
• 2.3.3 Marx電路仿真分析25-26
• 2.3.4 未考慮雜散參數(shù)的PCB板性能測試26-28
• 2.4 引入微帶傳輸理論的發(fā)生器研制28-32
• 2.4.1 微帶傳輸基本原理與設計28-30
• 2.4.2 基于微帶傳輸理論的皮秒脈沖發(fā)生器性能測試30-32
• 2.5 本章小結(jié)32-34
• 3 皮秒脈沖發(fā)生器的優(yōu)化與改進34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 皮秒脈沖發(fā)生器輸出波形仿真優(yōu)化與性能測試34-38
• 3.2.1 皮秒脈沖發(fā)生器完整電路模型建立與仿真分析34-36
• 3.2.2 皮秒脈沖發(fā)生器輸出波形仿真優(yōu)化36-37
• 3.2.3 串聯(lián)電感后的皮秒脈沖發(fā)生器性能測試37-38
• 3.3 基于漸變傳輸特性阻抗的發(fā)生器設計38-43
• 3.3.1 漸變傳輸特性阻抗設計39-40
• 3.3.2 PSPICE仿真分析40-41
• 3.3.3 發(fā)生器PCB板性能測試41-43
• 3.4 本章小結(jié)43-44
• 4 細胞實驗電極的設計與研制44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 多細胞實驗電極池的研制44-50
• 4.2.1 電極池裝置設計44-47
• 4.2.2 電極池仿真分析47-49
• 4.2.3 電極池研制49-50
• 4.3 單細胞實驗微電極的研制50-57
• 4.3.1 MEMS制作50-51
• 4.3.2 微電極尺寸設計51
• 4.3.3 MEMS加工工藝51-54
• 4.3.4 微電極仿真分析54-56
• 4.3.5 生物負載下皮秒脈沖性能測試56-57
• 4.4 本章小結(jié)57-58
• 5 皮秒脈沖調(diào)控大鼠運動皮層神經(jīng)元spike發(fā)放的實驗研究58-72
• 5.1 引言58
• 5.2 實驗設計58-59
• 5.3 材料與方法59-63
• 5.3.1 實驗材料59
• 5.3.2 實驗設備59-60
• 5.3.3 動物準備60
• 5.3.4 數(shù)據(jù)采集及分析60-63
• 5.4 實驗結(jié)果63-68
• 5.4.1 皮秒脈沖幅值對神經(jīng)元電生理活動的影響63-64
• 5.4.2 皮秒脈沖重復頻率及作用時間對神經(jīng)元電生理活動的影響64-68
• 5.5 討論68-69
• 5.6 本章小結(jié)69-72
• 6 結(jié)論與展望72-74
• 6.1 主要結(jié)論72-73
• 6.2 后續(xù)工作展望73-74
• 致謝74-76
• 參考文獻76-82
• 附錄82-83
• A. 作者在攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄82-83
• B. 作者在攻讀學位期間參與的科研項目83

【相似文獻】

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 秦延山;龍再全;李成祥;姚陳果;幸琳;;皮秒脈沖在生物組織中傳播特性研究[A];重慶市電機工程學會2010年學術(shù)會議論文集[C];2010年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 居盼盼;基于光學超晶格的皮秒脈沖寬調(diào)諧激光器[D];南京大學;2016年

2 張睿哲;用于神經(jīng)調(diào)控的皮秒脈沖刺激系統(tǒng)研制及初步動物實驗研究[D];重慶大學;2016年

  本文關鍵詞：用于神經(jīng)調(diào)控的皮秒脈沖刺激系統(tǒng)研制及初步動物實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：250981