動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用植入式脊髓電刺激系統(tǒng)的研制.pdf

1、脊髓硬膜外電刺激(ESCS)是一種通過植入脊柱椎管內(nèi)硬膜外腔的刺激電極,將電刺激脈沖傳遞至脊髓內(nèi),直接刺激中樞神經(jīng)組織的技術(shù)。實(shí)驗(yàn)證明 ESCS結(jié)合減重跑臺(tái)訓(xùn)練對慢性不完全脊髓損傷(ISCI)患者的行走功能康復(fù)具有積極的作用,但其確切的調(diào)控機(jī)制以及如何選擇刺激參數(shù)仍不明確,需通過長期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。然而目前商用的植入式神經(jīng)電刺激器價(jià)格昂貴,體積較大,不適于動(dòng)物實(shí)驗(yàn),因此用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的ESCS系統(tǒng)有待開發(fā)。
　　本文以國家自然科學(xué)

2、基金項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào):60874035)為依托,基于感應(yīng)耦合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和能量的經(jīng)皮無線傳輸,設(shè)計(jì)了可用于小型動(dòng)物的長期實(shí)驗(yàn)的,低成本、小型化的全植入ESCS刺激器。該刺激器不僅填補(bǔ)了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用ESCS系統(tǒng)的空白,而且解決了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用植入式器件的體外供能問題。
　　本論文首先對ESCS進(jìn)行了簡單的說明,介紹了相關(guān)的研究背景與目前的研究熱點(diǎn),描述了神經(jīng)沖動(dòng)的產(chǎn)生與傳導(dǎo)、脊髓的解剖結(jié)構(gòu)和生理特點(diǎn)等問題,并對ESCS的刺激波形和刺激參數(shù)進(jìn)行了設(shè)

3、計(jì)。然后,根據(jù)刺激器工作特點(diǎn)和性能需要,本文設(shè)計(jì)了一種植入式ESCS刺激系統(tǒng)的開發(fā)方案,并詳細(xì)介紹了各模塊的設(shè)計(jì)和軟硬件實(shí)現(xiàn)。最后,本文給出了系統(tǒng)樣機(jī)的離體測試結(jié)果,進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。
　　整套系統(tǒng)包括4個(gè)主要部分:外部個(gè)人數(shù)字助理(PDA),體外控制器,體內(nèi)刺激器,導(dǎo)線和電極。PDA允許使用者通過一個(gè)友好的圖形界面對刺激參數(shù)進(jìn)行編程;放置在大鼠背后的外部控制器通過射頻通訊方式與PDA交互;體內(nèi)刺激器產(chǎn)生兩路單相的恒電

4、壓脈沖信號(hào),分別通過導(dǎo)線傳輸?shù)诫p極型電極的兩個(gè)處點(diǎn),合成雙相電荷平衡的脈沖刺激目標(biāo)組織?；诟袘?yīng)耦合原理,體外控制器可使用其功能模塊 E類放大器產(chǎn)生的RF載波為體內(nèi)刺激器提供電能,同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。體內(nèi)刺激器被硅膠密封以滿足生物兼容性的要求,封裝后的體內(nèi)刺激器尺寸為22mm×23mm×7mm,測得質(zhì)量為3.78克。在樣機(jī)的離體試驗(yàn)中,經(jīng)皮無線通訊誤碼率低,雙相電荷平衡刺激波形輸出準(zhǔn)確。刺激脈沖輸出幅值范圍為50mV～10V,步長10mV