试述脊髓动物实验用植入式脊髓电刺激系统研制

论文导读：
摘要：脊髓硬膜外电刺激(ESCS)是一种通过植入脊柱椎管内硬膜外腔的刺激电极，将电刺激脉冲传递至脊髓内，直接刺激中枢神经组织的技术。实验证明ESCS结合减重跑台训练对慢性不完全脊髓损伤(ISCI)患者的行走功能康复具有积极的作用，但其确切的调控机制以及如何选择刺激参数仍不明确，需通过长期动物实验进行探讨。然而目前商用的植入式神经电刺激器昂贵，体积较大，不适于动物实验，由此用于动物实验的ESCS系统有待开发。本论文以国家自然科学基金项目(项目号：60874035)为依托，基于感应耦合实现数据和能量的经皮无线传输，设计了可用于小型动物的长期实验的，低成本、小型化的全植入ESCS刺激器。该刺激器不仅填补了动物实验用ESCS系统的空白，而且解决了动物实验用植入式器件的体外供能不足。本论文首先对ESCS进行了简单的说明，介绍了相关的探讨背景与目前的探讨热点，描述了神经冲动的产生与传导、脊髓的解剖结构和生理特点等不足，并对ESCS的刺激波形和刺激参数进行了设计。然后，根据刺激器工作特点和性能需要，本论文设计了一种植入式ESCS刺激系统的开发案例，并详细介绍了各模块的设计和软硬件实现。最后，本论文给出了系统样机的离体测试结果，进一步验证了设计案例的合理性。整套系统包括4个主要部分：外部个人数字助理(PDA)，体外制约器，体内刺激器，导线和电极。PDA允许利用者通过一个友好的图形界面对刺激参数进行编程；放置在大鼠背后的外部制约器通过射频通讯方式与PDA交互；体内刺激器产生两路单相的恒电压脉冲信号，分别通过导线传输到双极型电极的两个处点，合成双相电荷平衡的脉冲刺激目标组织。基于感应耦合原理，体外制约器可利用其功能模块E类放大器产生的RF载波为体内刺激器提供电能，同时进行数据通信。体内刺激器被硅胶密封以满足生物兼容性的要求，封装后的体内刺激器尺寸为22mm×23mm×7mm，测得质量为3.78克。在样机的离体试验中，经皮无线通讯误码率低，双相电荷平衡刺激波形输出准确。刺激脉冲输出幅值范围为50mV~10V，步长10mV、100mV、10V可调；刺激频率范围为0Hz~200Hz，参数调节步进1Hz、10Hz、100Hz可调；脉宽400μs、800μs、1200μs三档可调；刺激持续时间10s~60min可调。关键词：无线信息与能量传输论文电感耦合E类放大器论文大鼠论文脊髓硬膜外电刺激论文不完全脊髓损伤论文
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Abstract6-10
1 引言10-20

1.1 课题来源及背景10-11

1.2 课题目的及作用11-12

1.3 植入式神经电刺激技术及其探讨近况12-15

1.4 无线信息与能量传输技术及其探讨近况15-18

1.5 论文主要内容18-20

2 硬膜外脊髓电刺激20-28

2.1 动作电位的产生与传导20-22

2.2 脊髓和脊髓损伤22-24

2.3 脊髓电刺激用于行走功能康复24-28

3 植入式脊髓电刺激系统的案例设计28-55

3.1 脊髓电刺激的动物实验案例28-30

3.2 刺激波形和刺激参数设计30-33

3.3 基于感应耦合的信息与能量传输33-42

3.4 植入式脊髓电刺激系统的组成42-55

4 植入式脊髓电刺激系统的实现55-76

4.1 个人数字助理的软硬件实现55-62

4.2 动物体外制约器的软硬件实现62-68

4.3 体内刺激器的软硬件实现68-76

5 植入式脊髓电刺激系统的离体试验76-83

5.1 植入式脊髓电刺激系统的原型样机76-77

5.2 植入式脊髓电刺激系统的测试77-80

5.3 刺激系统的离体试验80-83

6 总结与展望83-85

6.1 总结83

6.2 展望83-85

致谢85-86
参考文献86-93
附录

一、硕士期间发表和录用的论文93