【摘要】：隨著深度腦刺激(Deep Brain Stimulation,DBS)在帕金森疾病(Parkinson’s Disease,PD)治療中的應(yīng)用和發(fā)展,其作用機(jī)制和性能優(yōu)化已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。目前DBS臨床一般采用開(kāi)環(huán)方法持續(xù)向大腦亞皮層區(qū)域傳遞高頻恒幅電脈沖,刺激信號(hào)不包含任何反饋信息,不能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、適應(yīng)性、能量最優(yōu)的治療。因此本文研究帕金森狀態(tài)的模型建立、刺激機(jī)制刻畫(huà)、能耗優(yōu)化等關(guān)鍵問(wèn)題,以期構(gòu)建閉環(huán)DBS系統(tǒng)。大腦皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路是與運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的主要神經(jīng)核團(tuán),其神經(jīng)退化改變了神經(jīng)核團(tuán)的放電模式,阻礙了基底核(Basal Ganglia,BG)正常的生理功能,從而導(dǎo)致了帕金森狀態(tài)。本文根據(jù)BG生理解剖結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為特征,建立神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水平的計(jì)算模型,刻畫(huà)不同狀態(tài)下BG的放電行為,描述多巴胺的缺失對(duì)其放電行為產(chǎn)生的影響,揭示帕金森狀態(tài)的生物物理機(jī)制。對(duì)建立的計(jì)算模型施加各種形式的DBS,研究大腦皮層-基底核-丘腦網(wǎng)絡(luò)不同的放電模式,建立DBS與BG放電的關(guān)系,獲得優(yōu)化DBS的性能指標(biāo),探索DBS改善帕金森狀態(tài)的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)DBS以局部抑制性、遠(yuǎn)端效應(yīng)、去同步和共振等方式影響B(tài)G的放電行為。為了探討閉環(huán)DBS的特點(diǎn),以丘腦核團(tuán)為對(duì)象進(jìn)行研究。丘腦核團(tuán)的中繼可靠性是描述帕金森狀態(tài)的一個(gè)定量標(biāo)準(zhǔn),據(jù)此標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建丘腦核團(tuán)放電的閉環(huán)控制,揭示DBS的閉環(huán)機(jī)制。本文建立DBS作用下的丘腦神經(jīng)元模型,構(gòu)建一種慢變量反饋的閉環(huán)DBS,不僅實(shí)現(xiàn)了異常丘腦神經(jīng)元對(duì)期望波形的零誤差快速跟蹤,而且證明了閉環(huán)DBS能魯棒地抑制神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化;其低幅值、平穩(wěn)變化的刺激波形證明了閉環(huán)算法的有效性。為了克服開(kāi)環(huán)DBS的高能耗且波形無(wú)特異性等缺點(diǎn),基于建立的BG網(wǎng)絡(luò)刺激-響應(yīng)模型,以局部場(chǎng)電位為反饋,構(gòu)建閉環(huán)DBS。采用廣義預(yù)測(cè)、神經(jīng)元自適應(yīng)等控制算法實(shí)現(xiàn)帕金森狀態(tài)的閉環(huán)調(diào)制。通過(guò)仿真分析,發(fā)現(xiàn)所提方案能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)調(diào)整輸出波形,降低傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)DBS恒定的能量損耗,從而延長(zhǎng)DBS電池的壽命,降低頻繁更換電池的手術(shù)副作用和危險(xiǎn)。本文所提出的模型、算法可以應(yīng)用到臨床研究,為DBS治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了新思路。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：R742.5

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本文編號(hào)：2566425