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基于神经刺激的无线闭环镇疼系统的研究

左超  
【摘要】:慢性疼痛被认为是一个严重的公共健康问题。然而,大多数慢性疼痛患者没有条件得到有效的治疗救济,或者因为无法承受高额的治疗开销、担心化学治疗方法带来各种副作用而拒绝了必要的治疗。因此,高效率、低副作用、低成本的慢性疼痛治疗方案亟待科研人员的研究和开发。神经刺激可以被考虑为治疗慢性疼痛的一种适当方案。然而,当前的植入式神经刺激系统大多运行在开环状态,这种开环方式,难以在客观的电生理信号监控层面对患者疼痛强度进行量化评估,也缺少实时性的神经刺激强度调节功能,因此从治疗的安全性、有效性等角度考虑,离可靠地适用于临床还有一段距离。 本文研究并实现了应用于闭环镇痛的无线神经信号采集、刺激系统。完成了硬件电路系统的设计、制备与调试,并在此基础上设计、开发了基于闭环反馈控制算法的上位机软件。整套系统可以对神经元细胞外放电信号进行实时地采集、监控,并在需要的时候同步产生可配置的神经刺激,用于对慢性疼痛进行抑制。通过一系列动物试验,无线闭环系统抑制疼痛的有效性得到了很好的验证。 在构建闭环实验平台的基础之上,为了更加准确地量化疼痛性神经放电响应,本文提出了一种增强型疼痛识别算法。该算法在考虑神经元细胞外动作电位信号绝对强度的同时,引入了神经元放电变化因子,通过权值综合判断,强化并凸显神经元放电过程中的突变点,在一定程度上有效地增强了疼痛识别算法的鲁棒性。 此外,本文还设计开发了多通道疼痛信号采集系统、无线供电闭环镇痛系统、微型植入式脑皮层电信号采集系统,以改善当前系统在续航能力、便携性方面的不足之处,使其能够在自由移动的小型动物实验研究以及将来的临床实验中得到更好的应用。基于无线数据传输的闭环反馈镇痛系统不仅为基于小型动物的疼痛行为、机制研究提供了一套创新的实验平台,而且提供了一种简单有效的镇痛方法,为慢性疼痛患者提供了一种潜在的临床治疗选择。


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