一种经硬脑膜的视皮层电刺激装置的设计与实验研究

摘要

眼睛被誉为“心灵的窗户”，是人体极其重要的感觉器官之一。据卫生部数据统计，目前中国约有500万盲人，占全世界盲人总数的18％，而据初步预测，至2020年，全球盲人总数将上升至7500万人。可见，失明正严重威胁着整个人类，使人们的生活受到极大困扰。致盲的原因有很多种，视觉通路上任何一段的损伤都可以导致失明，通过电刺激视觉通路上的任何一段的神经细胞均可以使患者产生光感，称为光幻视，它能够传递有限但十分重要的视觉信息，帮助盲人恢复基本视觉。根据电刺激位置的不同，人工视觉修复可分为视皮层修复，视网膜修复和视神经修复三种，其中，视皮层修复能最大程度地适用于各种视盲患者，具有恢复最大数量失明病人视力的潜力。在国家“863”计划(No.2007AA042324)资助下，本课题率先进行将芯片放置于硬脑膜外的视皮层外微创芯片关键技术的研究，设计开发了新型电刺激装置并对硬脑膜外电刺激形式和效果做初步探索，课题的研究具有重要的学术意义和实用价值。
　　 在课题的研究背景下，本文基于虚拟仪器技术，首先研究设计了一款电刺激信号发生器。该装置采用LabVIEW软件设计编写，利用美国国家仪器公司的PCI-6014板卡和CompactDAQ-9172及9265模块分别实现电压及电流输出。输出信号可以实现波形，幅值，频率，脉宽，刺激时间长度及刺激方式可调。设计波形包括：单向脉冲，双向脉冲，正弦波，三角波，锯齿波和指数波；电压输出范围为+10V，电流输出范围为0～20mA，输出精度可达10-9级；输出频率调整范围为0.01～5000HZ：脉宽(占空比)调整范围为0％～100％；刺激时间长度调整包括串脉冲时间长度和间隔时间长度调整两种方式；刺激方式包括同一信号连续刺激及两种信号交替刺激。
　　 本文基于该电刺激信号发生器对视皮层硬脑膜外刺激实验方法进行了初步探索，搭建了硬脑膜外电刺激研究的动物实验平台。实验基本方法为：将芯片电极分别植入猫两侧视皮层17区硬脑膜外，电刺激信号发生器通过导线与一侧芯片连接并施加电刺激，同时利用多道生理信号采集系统与另一侧芯片连接并记录相同位置传递来的电刺激诱发电位(Electrically evoked potential，EEP)。基于该实验平台，本文进行了硬脑膜外电刺激对EEP的作用研究，对比分析单脉冲和串脉冲刺激下诱发的EEP波形形态及稳定性，研究不同刺激参数(幅值、脉宽和频率)对EEP的影响。此外，也对经硬脑膜对视皮层电刺激的安全性进行了初步研究，实验方法为：在相同刺激参数下，在同样实验周期内，给予3只大鼠不同刺激时间间隔的电刺激，实验结束后切片染色观察皮层组织神经细胞变性情况，评价刺激时间间隔对神经细胞的影响以及高频电刺激的安全性情况。
　　 通过对实验结果进行分析总结，得到以下结论：(1)在单脉冲刺激下，记录到正向诱发电位，刺激条件不同，波形幅值和潜伏期有所变化，重复性不佳；(2)串脉冲刺激下，记录到正负相间的复合波，随着刺激幅值、频率或脉宽的增加，波形幅值有所增加，而潜伏期几乎不变，实验结果具有重复性；(3)保持电刺激参数不变，在同样实验周期内刺激间隔时间越短，神经细胞损伤越大，电荷累积效应明显，高频刺激较易对神经细胞带来损伤。
　　 本文的研究结果证明了基于虚拟仪器的视觉假体电刺激装置及实验平台的可行性和可靠性。电刺激实验取得了初步的关于刺激形式及刺激效果的实验结果，为视皮层修复的进一步研究奠定了实验基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1研究背景及研究意义

1.1.1研究背景

1.1.2国内外研究现状

1.1.3研究意义

1.2本研究的目的和研究内容

1.2.1研究目的

1.2.2研究内容

2人工视觉

2.1人工视觉原理

2.1.1视觉通路解剖结构

2.1.2人工视觉形成机理

2.2视觉假体及其分类

2.2.1视皮层修复

2.2.2视神经修复

2.2.3视网膜修复

3视皮层修复的电刺激参数分析与设计

3.1视皮层修复的生理学基础

3.2电刺激诱发电位简介

3.3视皮层修复的电刺激参数设计

3.3.1视觉修复常用的电刺激参数

3.3.2本课题所用电刺激参数设计

4基于虚拟仪器的电刺激信号发生器的设计

4.1虚拟仪器概述

4.1.1虚拟仪器技术的概念

4.1.2虚拟仪器的构成及优势

4.1.3虚拟仪器软件开发平台LabVIEW简介

4.2电刺激信号发生器的功能设计及其程序实现

4.2.1多种波形的设计

4.2.2输出时间的控制

4.2.3刺激方案的选择

4.3电刺激信号发生器的前面板设计

4.4电刺激信号发生器的硬件实现

4.4.1电流输出模块

4.4.2电压输出模块

4.4.3电压—电流转换电路

4.5本章小结

5硬脑膜外电刺激对EEP的作用研究

5.1概述

5.2芯片特性

5.2.1芯片尺寸及材料

5.2.2电极阻抗特性

5.3实验方法

5.3.1实验对象

5.3.2实验器材及装置

5.3.3实验设计

5.3.4手术过程

5.3.5数据处理

5.4实验结果及分析

5.4.1单脉冲刺激下EEP的基本性质

5.4.2单脉冲刺激下电刺激参数对EEP的影响

5.4.3单脉冲刺激实验小结

5.4.4串脉冲刺激下EEP的基本性质

5.4.5串脉冲刺激下电刺激参数对EEP的影响

5.4.6串脉冲刺激实验小结

5.4.7 EEP与VEP的比较

5.4.8与国外同类实验结果的比较

5.5讨论

5.6本章小结

6硬脑膜外电刺激安全性的研究

6.1概述

6.2实验方法

6.2.1实验对象

6.2.2实验器材及装置

6.2.3实验设计

6.2.4手术过程

6.2.5 HE染色法简介

6.3实验结果及分析

6.4讨论

6.5本章小结

7总结与展望

7.1总结

7.2展望

致 谢

参考文献

附 录