论文部分内容阅读
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研究。然而目前商用的植入式神经电刺激器价格昂贵，体积较大，不适于动物实验，因此用于动物实验的ESCS系统有待开发。本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问题。本论文首先对ESCS进行了简单的说明，介绍了相关的研究背景与目前的研究热点，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问题，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，本文设计了一种植入式ESCS刺激系统的开发方案，并详细介绍了各模块的设计和软硬件实现。最后，本文给出了系统样机的离体测试结果，进一步验证了设计方案的合理性。整套系统包括4个主要部分：外部个人数字助理(PDA)，体外控制器，体内刺激器，导线和电极。PDA允许使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控制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，体外控制器可使用其功能模块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。