基于反导策略的神经信号阻断实验研究

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中国每年新发脑卒中患者约200万人,其中70-80%的脑卒中后遗症患者因肢体瘫痪不能独立生活。同时,我国儿童脑瘫发病率约为出生人口1.4~4‰,全国有病例400~500万人,并以每年增长约6万名的速度递增。两种病症的表现均为患者不同程度的肢体瘫痪。因此我国有千万患者家庭正面临“一人瘫痪,全家瘫痪”的危机,需要社会的共同关注与救援。瘫痪依照肌张力高低可分为弛缓性瘫痪和痉挛性瘫痪。针对弛缓性瘫痪,众多研究机构、成千上万的研究者进行了长达近60年的研究,总结出了多种成熟的治疗方法。本论文研究所在课题组也研制了微电子神经桥/肌电桥来改善弛缓性瘫痪。然而痉挛性瘫痪尚主要依靠药物治疗、传统中医针灸治疗、简单物理治疗及手术治疗,不能安全可靠地解决患者痛苦。因此如何特异、安全地对痉挛性瘫痪进行诊断和治疗已成为一个待解决的问题。课题组在总结和验证痉挛性瘫痪信息学病因的基础上,从工程学角度提出了基于反导策略的神经信号阻断方法,即当检测到神经前端出现病态神经信号时,及时在神经传导通路上加阻断信号,切断病态神经信号的传导。本论文基于上述设想,进行了可行性验证实验。本论文首先对课题组前期实验进行补充,对仰卧蟾蜍躯干胸部电学特异性开展了研究,在确立了3条电信号传递系数极大值点连线,并为下一步动物实验提供了经验借鉴。接着,以离体的蟾蜍坐骨神经腓肠肌为实验对象,以前端刺激产生的神经信号模拟病态神经信号,选择针状电极作为阻断电极进行阻断实验。实验首先分别对加上行电流和加下行电流这两种情况进行了阻断波形(锯齿波)的设计,而后确定了阻断双电极间最佳距离为5mm,测量了最佳波形参数及其有效阻断时间。最后对阻断的损伤性进行测试。初步验证了实验的可行性。然后,选择自制钩状电极作为阻断电极在离体蟾蜍坐骨神经腓肠肌上进行实验,选择上行电流的阻断信号以满足基于反导策略阻断神经信号的实时性。首先确定了阻断双电极间的最佳阻断距离,依然为5mm,而后对最佳阻断波形参数进行测量,并与使用针状电极时最佳阻断参数进行比较,结果表明钩状电极下阻断参数更加稳定。实验发现前端刺激和阻断电极之间的距离分别为1.5与3.0cm时,所需传导时间约为0.7与1.1ms,为反导策略中从前端病态信号检测到产生阻断信号这一过程的反应时间提供了电路设计依据。最后对最佳阻断脉冲波形的宽度及阻断的损伤性进行了测定,并讨论了完全阻断与部分阻断的条件,进一步验证了实验的可行性。最后通过采集分析痉挛患者肢体表面肌电信号,与已经测得的最佳阻断信号参数进行对比分析,可知单独肌电信号时限在有效阻断有效内,而由于体表肌电信号高度复合且肌电信号峰值间隔在最佳阻断信号波宽的临界值附近波动,据此推断部分病态信号还不能完全做到一对一的阻断,还需要通过对电极等实验条件的改进来优化最佳阻断参数。
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