本文選題：短波近紅外　切入點(diǎn)：脈沖激光　出處：《山東大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：聽力疾病是全世界范圍內(nèi)的多發(fā)病種,對于感音神經(jīng)性耳聾患者而言,植入人工耳蝸是目前最有效恢復(fù)部分聽力的治療方案。近年來,隨著電子技術(shù)和編碼算法的改進(jìn),人工耳蝸技術(shù)不斷完善,在安靜環(huán)境中可以給患者帶來良好的聽覺恢復(fù)效果,但在噪聲環(huán)境和音樂欣賞方面的效果仍不理想。臨床和電生理研究表明,電流的擴(kuò)散效應(yīng)是人工電子耳蝸難以逾越的物理障礙,該效應(yīng)會導(dǎo)致電極之間的相互干擾、引起信號失真并限制了可植入電極的數(shù)目,從而制約著人工耳蝸的進(jìn)一步發(fā)展。鑒于現(xiàn)階段人工電子耳蝸存在的局限性,科研工作者開始著手尋找能夠提高聽神經(jīng)刺激精度和空間選擇性的新方法。近年來,基于脈沖近紅外激光的神經(jīng)刺激(Infrared Neural Stimulation, INS)方法受到了廣泛關(guān)注和研究,作為一種直接神經(jīng)刺激手段,州S通過近紅外激光輻照神經(jīng)組織所引發(fā)的能量瞬變誘發(fā)神經(jīng)反應(yīng)。該方法因其獨(dú)有的特性和優(yōu)勢,已在神經(jīng)科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域取得了應(yīng)用和發(fā)展。隨著光學(xué)神經(jīng)刺激相關(guān)研究的拓展和深入,科研工作者開始探索使用脈沖激光來代替電極用于耳蝸聽神經(jīng)刺激。與傳統(tǒng)的基于脈沖電流的聽神經(jīng)刺激方法相比,激光聽神經(jīng)刺激方法具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：刺激過程不與組織直接接觸,減少了對生物體的侵入性；激光具有很好的方向性和空間選擇性,不會像電流那樣在組織中擴(kuò)散,可以實(shí)現(xiàn)對局部神經(jīng)組織和神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行精確的定點(diǎn)刺激；不會在神經(jīng)刺激過程中產(chǎn)生多余的刺激偽跡,有利于獲得精確的神經(jīng)響應(yīng)。目前,波長在1800 nm以上的長波近紅外(long-wavelength near-infrared, LW-NIR)激光因其較高的水吸收系數(shù)而被廣泛地應(yīng)用于各類神經(jīng)刺激研究中。然而對于耳蝸內(nèi)聽神經(jīng)刺激這一具體研究領(lǐng)域而言,激光脈沖通常由光纖耦合傳輸至耳蝸內(nèi)部并最終作用在位于蝸軸內(nèi)的螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞,由于耳蝸主體是由一個(gè)中空的、內(nèi)部填充著淋巴液的螺旋形腔體構(gòu)成,激光能量在到達(dá)聽神經(jīng)細(xì)胞之前需要先穿過淋巴液,軟組織和蝸軸骨質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此,具有較高組織穿透深度的短波近紅外激光(short-wavelength near-infrared, SW-NIR)有潛力成為耳蝸內(nèi)激光聽神經(jīng)刺激研究中較為理想的波段。目前,國內(nèi)外利用短波近紅外激光刺激耳蝸聽神經(jīng)的研究尚處于起步階段,實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和技術(shù)手段仍有較大優(yōu)化空間,本論文針對上述現(xiàn)狀開展了短波近紅外激光耳蝸聽神經(jīng)刺激的相關(guān)研究,一方面自主設(shè)計(jì)了脈沖激光聽神經(jīng)刺激實(shí)驗(yàn)平臺并制作了系統(tǒng)樣機(jī)；另一方面利用該系統(tǒng)開展了相關(guān)的動物實(shí)驗(yàn)并成功觸發(fā)了光致聽神經(jīng)反應(yīng),實(shí)驗(yàn)研究了激光波長、脈沖參數(shù)等變化對聽覺神經(jīng)反應(yīng)的影響,給出了相關(guān)光刺激參數(shù)的優(yōu)化范圍。此外,創(chuàng)新性地提出了將光束準(zhǔn)直技術(shù)應(yīng)用于激光聽神經(jīng)刺激領(lǐng)域,并研究了該方法帶來的有益效果。本論文中提出的基于短波近紅外激光的聽神經(jīng)刺激方法和動物實(shí)驗(yàn)為下一代的人工聽覺技術(shù)作了技術(shù)儲備,本論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：1.通過對激光與生物組織相互作用和激光引起組織熱效應(yīng)的理論分析,給出了生物熱傳輸方程的推導(dǎo)過程和幾種典型組織溫升解,為激光觸發(fā)神經(jīng)反應(yīng)提供了理論依據(jù)。詳細(xì)闡述了脈沖激光引起神經(jīng)沖動的幾種可能機(jī)理：包括激光熱效應(yīng)引起神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)熱敏離子通道的激活和細(xì)胞膜電容的改變以及光致機(jī)械效應(yīng)觸發(fā)聽神經(jīng)的機(jī)理。2.詳細(xì)列舉了本研究中自主設(shè)計(jì)的脈沖激光聽神經(jīng)刺激實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各器件的選型及主要技術(shù)指標(biāo),并簡單說明了這些器件的工作原理。描述了為光纖耦合半導(dǎo)體激光光源設(shè)計(jì)的三態(tài)恒流驅(qū)動電路、雙向溫控電路、系統(tǒng)控制單元和DGUS觸摸屏人機(jī)交互界面的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案和軟件程序流程,并說明了針對激光器的相關(guān)保護(hù)功能設(shè)計(jì)和驅(qū)動電流紋波優(yōu)化方案。3.描述了激光刺激聽神經(jīng)動物實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì),包括動物種類的選擇、動物麻醉方法和手術(shù)過程、耳蝸致聾的必要性分析和具體致聾方法的說明。介紹了耳蝸聽神經(jīng)反應(yīng)的電生理測試指標(biāo)和測量方法,包括測量設(shè)備參數(shù)設(shè)置、測量電極的布置形式、測量環(huán)境和電生理信號的數(shù)據(jù)處理方法。4. 分析比較了波長為980 nm和808 nm的脈沖短波近紅外激光被用作光刺激源時(shí)對引起豚鼠耳蝸聽神經(jīng)反應(yīng)的影響和區(qū)別。通過測量和記錄實(shí)驗(yàn)動物的光致聽性腦干反應(yīng)(Optically-evoked Auditory Brainstem Response, OABR)來表征聽神經(jīng)對兩種不同波長激光刺激的反應(yīng)情況。實(shí)驗(yàn)中還進(jìn)一步比較了在兩種激光波長下的輻照量和脈沖寬度對聽神經(jīng)反應(yīng)的影響以及引起的聽神經(jīng)反應(yīng)閾值的差異。分析了上述差異的原因與組織中水對不同激光波長的吸收率差異相關(guān),并推論出神經(jīng)組織中水分吸收激光所引起的光熱效應(yīng)是誘發(fā)神經(jīng)反應(yīng)的主要原因之一。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明980 nm波長的激光在聽神經(jīng)觸發(fā)效率上相比于808 nm波長有優(yōu)勢,可以在相同激光能量密度下誘發(fā)出更強(qiáng)的OABR反應(yīng),并且具有更低的有效觸發(fā)聽神經(jīng)的激光輻照量閾值；然而波長為808nm的激光可以提供更大范圍的優(yōu)化刺激脈寬,在激光刺激參數(shù)選擇的靈活性上存在一定優(yōu)勢。5.探究了激光脈沖參數(shù)(脈寬、能量密度、峰值功率等)變化對誘發(fā)聽神經(jīng)沖動帶來的影響。闡述了使用980 nm波長激光進(jìn)行聽神經(jīng)刺激時(shí)的激光能量密度和脈寬變化對OABR幅度和潛伏期的影響,分析了OABR幅度先隨激光能量的增大而增大后出現(xiàn)增幅減緩的原因,提出了在聽神經(jīng)刺激過程中需將激光能量控制在神經(jīng)反應(yīng)出現(xiàn)飽和的范圍之內(nèi)。描述了使用808 nm波長激光在20-1000 μs脈寬變化范圍對聽神經(jīng)觸發(fā)的影響,表明了在長脈寬時(shí)(300-1000μs)激光產(chǎn)生的熱量在組織中的熱擴(kuò)散效應(yīng)會阻礙OABR幅度的繼續(xù)增大,提出激光產(chǎn)生的熱量在組織中的凈積累是影響光致神經(jīng)反應(yīng)的主要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明使用短波近紅外波段的脈沖激光進(jìn)行聽神經(jīng)刺激可以帶來更大的有效脈寬范圍和安全刺激能量范圍。6.提出了將光束準(zhǔn)直技術(shù)應(yīng)用于脈沖近紅外激光聽神經(jīng)刺激領(lǐng)域,描述了光束準(zhǔn)直的具體實(shí)現(xiàn)方案和基于C-lens的小型化光纖準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。通過比對實(shí)驗(yàn)研究了引入激光光束準(zhǔn)直方法對觸發(fā)聽神經(jīng)反應(yīng)的影響,闡述了應(yīng)用光束準(zhǔn)直方案后在激光聽神經(jīng)觸發(fā)的效率、精度和降低激光能耗方面帶來的優(yōu)勢,并分析了產(chǎn)生上述有益效果的原因。
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【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN24
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本文編號：1644016