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深部脑刺激器的作用机制及研制的研究

于超  
【摘要】: 帕金森症(PD)是一种进行性运动障碍疾病,以静息震颤、强直和运动徐缓等为主要症状表现。虽然这些症状可通过药物治疗和传统的外科手术得到缓解,但随着时间的增加,不但治疗效果逐渐消失,而且可形成严重的并发症和副作用。而“绿色”治疗手段——深部脑刺激(DBS)以其治疗效果显著、对脑部损伤小以及副作用小和治疗效果可调等优点,成为目前最为有效的外科治疗手段。但与其确切的治疗效果相比,DBS的作用机制尚不清楚,这不但阻碍了DBS技术进一步的发展,和PD其他治疗手段的探索,同时也不利于对于PD发病机制的探究。此外,由于国外技术垄断,DBS的治疗价格一直居高不下,使许多的PD患者无力承担,所以研发具有自主知识产权的深部脑刺激器迫在眉睫。 本文研究了DBS的低功耗解决方案,并以此为平台,采用同步记录技术,研究了高频电刺激对核团放电的影响;并结合已有的国内外相关的研究成果,提出了DBS的抑制-兴奋机制假说。此外还采用计算机仿真技术,研究了具有刺激选择性的复合刺激波形。主要的工作及结果包括以下几个方面: 1)给出了DBS设计细节,开发了可满足治疗刺激参数要求的DBS样机。同时针对DBS的微功耗、小体积的苛刻要求,创新的提出了动态混合脉冲式升降压电路。 2)采用刺激同步记录技术,研究了刺激过程中模型鼠和正常大鼠的丘脑底核以及黑质网状部的神经元自发放电活动的变化,提出了DBS治疗帕金森病的作用机制假说。针对刺激伪迹严重影响神经响应分析,创先的应用自适应模板法对污染的信号进行处理,试验结果显示在消除噪声的同时,也很好恢复了淹没的神经响应。基于该算法,利用试验室研发的DBS原型机,在高频电刺激大鼠丘脑底核过程中,同步记录了丘脑底核以及黑质网状部神经元放电活动。分别研究了静息状态下正常大鼠和模型大鼠放电模式和放电频率的变化,研究了刺激幅度和频率对神经元响应的影响,并研究了刺激对核团放电频率的影响。最终对所获得的数据进行对比分析,并结和国内外的研究成果,探讨了高频电刺激影响核团的作用机制,并创新的提出了“抑制”-“驱动”机制假说。 3)提出了复合刺激波形,构建了丘脑核团神经元模型,利用Neuron仿真研究了刺激参数的变化对神经细胞的兴奋的影响。


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