隨著世界老齡化進(jìn)程的加快,越來(lái)越多的老年人患上了腦功能疾病。腦功能疾病的共有特點(diǎn)是大腦某個(gè)區(qū)域的神經(jīng)環(huán)路功能的瓦解、失效,從而導(dǎo)致患者在認(rèn)知、行為、語(yǔ)言等方面出現(xiàn)障礙。因?yàn)椴∫蛱厥庖约艾F(xiàn)有治療方法的固有局限性,腦功能疾病療法的研究進(jìn)程緩慢。低能量光療法是一種無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛、便捷、廉價(jià)治療方法,自從1967年被發(fā)現(xiàn)以來(lái),就一直受到了科研人員的廣泛關(guān)注。這種方法直接刺激細(xì)胞,促進(jìn)細(xì)胞的呼吸作用,加快細(xì)胞的更新速度,可能會(huì)喚醒已經(jīng)失效的神經(jīng)環(huán)路。將低能量光療法用于腦功能疾病是一種有效的嘗試,可以促進(jìn)低能量光療法在腦功能疾病治療上的發(fā)展。本文基于低能量光療法設(shè)計(jì)、研制出一套低能量光腦功能疾病刺激系統(tǒng),該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的選擇在全腦或者大腦的某個(gè)特定區(qū)域發(fā)出特定能量、特定頻率的光。首先介紹了腦功能疾病的現(xiàn)狀以及現(xiàn)有治療方法的治療效果;根據(jù)文獻(xiàn)內(nèi)容總結(jié)了低能量光療法的原理,從技術(shù)上闡明了用低能量光療法治療腦功能疾病的可行性,并介紹了低能量光在腦功能疾病上應(yīng)用的歷史和現(xiàn)狀。之后利用利用蒙特卡羅的仿真方法,模擬出光子在人體頭部的傳輸特性,優(yōu)化低能量光療法在腦功能疾病上應(yīng)用的刺激方案。接下來(lái)設(shè)計(jì)并完成了基于低能量光的腦功能疾病的刺激系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件。對(duì)于硬件部分,根據(jù)完成功能的不同,可以分為邏輯模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊以及恒流源電源驅(qū)動(dòng)模塊等,這些模塊相互獨(dú)立,通過(guò)導(dǎo)線傳輸信號(hào);對(duì)于軟件部分,也可以根據(jù)完成功能的不同將該部分分成兩個(gè)部分,界面部分和后臺(tái)運(yùn)行部分,這兩個(gè)部分分別由一個(gè)線程獨(dú)立完成,線程之間通過(guò)全局變量傳輸信息。為了保證系統(tǒng)能夠達(dá)到最好的運(yùn)行狀態(tài),本文還設(shè)計(jì)了外部支持系統(tǒng)幫助維持系統(tǒng)的功能。在系統(tǒng)完成后,本文設(shè)計(jì)了一系列的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性,主要包括功能性測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試和外部支持系統(tǒng)的測(cè)試,以驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。通過(guò)人體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低能量光刺激能夠有效的提高組織的血流和氧消耗量,表明該系統(tǒng)是有效、安全的。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了低能量光療法在腦功能疾病刺激治療上的巨大潛力。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O439;R749.05
【部分圖文】：

CCO 在細(xì)胞呼吸作用的最后一個(gè)階段（呼吸電子傳遞鏈階段）擔(dān)任重要的作用，光子的能量傳遞給 CCO，會(huì)大大增加 CCO 的活性，CCO 活性增加的越多，線粒體就會(huì)產(chǎn)生越多的 ATP，細(xì)胞內(nèi)相關(guān)的生化反應(yīng)就會(huì)加快[12]。另外，低能量光還會(huì)將細(xì)胞內(nèi)原本存儲(chǔ)的一氧化氮釋放出來(lái)[13]，而一氧化氮又會(huì)促進(jìn)血管的舒張，從而加快身體的血液循環(huán)[14]。除此之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于低能量光療法，并不是光強(qiáng)越強(qiáng)越好，光強(qiáng)與療效呈現(xiàn)出一個(gè)雙向性的結(jié)果[11, 14]，剛開始，療效隨著光強(qiáng)的增加而慢慢的增加，之后療效會(huì)達(dá)到一個(gè)最高點(diǎn)，這時(shí)療效會(huì)隨著光強(qiáng)的增加而減低，這種情況與細(xì)胞中產(chǎn)生的活性氧（ROS）有關(guān)。研究人員認(rèn)為在細(xì)胞中，存在兩種活性氧，一種好的活性氧，一種壞的活性氧。好的活性氧在細(xì)胞被較低光強(qiáng)的低能量光照射時(shí)產(chǎn)生，其可以作為調(diào)控氧化還原反應(yīng)的信號(hào)，促進(jìn)細(xì)胞產(chǎn)生更多的 ATP，同時(shí)好的活性氧也可以促進(jìn)細(xì)胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄，加快細(xì)胞的生化反應(yīng)；隨著光照強(qiáng)度的增加，細(xì)胞減少好的活性氧的合成，增加壞的活性氧的合成，壞的活性氧會(huì)破壞線粒體從而破壞細(xì)胞的呼吸作用，降低 ATP 的產(chǎn)量[14]。圖 1-1 顯示的是細(xì)胞內(nèi)部受到低能量光照射時(shí)發(fā)生的一些反應(yīng)。

癌癥[18]、緩解疼痛[19]、治療腦卒中[20-21]、治療神經(jīng)性疾病[22-23]、改善（如圖 1-2 所示）。雖然經(jīng)過(guò)了五十多年的發(fā)展，但是科研人員對(duì)于低背后的具體原理現(xiàn)在尚不清楚。中國(guó)對(duì)于低能光療法的研究起步較晚，世紀(jì)才有研究機(jī)構(gòu)、科研院所開始研究低能量光的作用。接下來(lái)本小結(jié)路徑的仿真、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及人體實(shí)驗(yàn)分別介紹低能光療法在腦功能疾病。低能量光傳輸特性模擬仿真軟件是基于蒙特卡羅方法實(shí)現(xiàn)的，總共經(jīng)歷發(fā)展，第一代 Wang 和 Jacques 編寫的 MCML 是第一款能夠模擬仿真中傳播路徑的軟件[26]，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，該方法一直被認(rèn)為是光織內(nèi)傳播路徑仿真結(jié)果的金標(biāo)準(zhǔn)，但是該方法存在一個(gè)致命的缺陷，即合做 3D 的模型結(jié)構(gòu)仿真；第二代是 Boas 小組開發(fā)的 tMCimg[27]，該 3D 的組織模型進(jìn)行仿真；第三代是華中科技大學(xué)的李婷博士開發(fā)的 M[28-29]，這是一個(gè)基于體素的 3D 組織模型仿真軟件，該軟件的運(yùn)行結(jié)L 和 tMCimg 的運(yùn)行結(jié)果有很好的一致性，同時(shí)穩(wěn)定性和精確度要遠(yuǎn)代的仿真軟件。

文利用近紅外光譜作為低能量光腦功能疾病刺激的監(jiān)測(cè)技術(shù)，方便激效果。近紅外光譜技術(shù)的主要原理是利用組織內(nèi)不同吸收色團(tuán)對(duì)有不同的吸收系數(shù)來(lái)計(jì)算相應(yīng)吸收色團(tuán)的濃度[34-35]，人體中 80%的水對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)光的吸收系數(shù)差異較大，會(huì)對(duì)組織內(nèi)其他吸收色團(tuán)產(chǎn)生光譜技術(shù)利用 700~900 nm 的光作為一個(gè)光學(xué)窗口，如圖 1-3 所示，水的吸收系數(shù)基本為 0，主要的吸收色團(tuán)是脫氧血紅蛋白和含氧血紅蛋水對(duì)該窗口內(nèi)光的吸收系數(shù)較小，因此光可以達(dá)到深層組織，檢測(cè)更液參數(shù)。近紅外光譜技術(shù)在三十年前剛被提出的時(shí)候主要用在肌肉乳腺檢測(cè)[37-38]，之后，慢慢的發(fā)展到用該方法檢測(cè)大腦的血液動(dòng)力學(xué)該方法有很多優(yōu)點(diǎn)，包括：無(wú)創(chuàng)性檢測(cè)，只用光的方法進(jìn)行檢測(cè)，完全項(xiàng)技術(shù)可以檢測(cè)多個(gè)血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)，比如脫氧血紅蛋白濃度、含氧和氧飽和度；實(shí)時(shí)檢測(cè)，該方法可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變、成本低廉，便于融入到便攜式設(shè)備中，該技術(shù)具有巨大的潛力，因人員的廣泛關(guān)注。

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