采用表面阵列电极的功能电刺激仿真与优化设计

摘要

功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)是一种使用电流激活由于脊髓损伤(Spinal Cord Injury,SCI),头部外伤,中风和其他神经系统疾病导致的瘫痪肢体所影响的神经纤维的物理治疗技术。FES主要帮助残疾人士恢复一定的生理功能。它有时被称为“神经肌肉电刺激(Neuromuscular Electrical Stimulation,NMES)。我们把用于激活神经系统的功能电刺激设备称为神经假体,神经假体主要包括刺激器和刺激电极两部分,刺激器将外界光信号或电图像信息进行数据处理、编码成电脉冲序列,经由刺激电极直接刺激神经系统中仍有部分功能的神经组织,产生神经电生理信号以恢复其功能。功能性电刺激的刺激方式目前主要有三种:表面式电刺激、经皮式电刺激和全植入式电刺激。表面式FES具有无创、无痛和适应症广泛等优点,但也有刺激效果不佳和靶点选择性差的缺陷。本课题主要对FES采用的表面阵列电极进行优化设计和对不同类型的刺激波形的刺激效果进行对比分析,旨在设计理想的阵列电极和选择合适的刺激波形,为优化设计FES系统奠定一定的理论基础。
　　本文在研究FES电生理学基础上,对采用表面阵列电极的人体前臂FES系统建立几何和数理模型,通过有限元法仿真人体前臂组织的电场分布,使用神经纤维激励函数表征外加电场对神经轴突电活动的影响。在此基础上,选择前臂深层神经纤维激励函数的峰值和半宽度乘积之比作为靶向性能评价函数,利用粒子群算法对表面阵列电极的触点尺寸和间距进行优化设计,得出靶向性能最优的阵列电极尺寸。对比不同刺激波形作用下随时间变化的人体前臂深层神经纤维激励函数最大值,研究结果表明双向电荷平衡矩形波刺激下的神经纤维激励函数最大值稍高于其他刺激波形,有利于神经纤维的激活,从而为表面阵列电极的设计和制定刺激处方提供理论指导。

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1 绪论

1.1课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的研究内容

1.4 论文的组织结构

2 功能电刺激原理

2.1 神经电生理学简介

2.2 功能电刺激的基本原理

2.3 本章小结

3 基于COMSOL Multiphysics的功能电刺激电场仿真

3.1有限元分析软件 COMSOL Multiphysics V4.2a 简介

3.2 表面阵列电极功能电刺激建模

3.3 表面阵列电极功能电刺激的有限元电场仿真

3.4 人体前臂目标神经纤维的激活函数分布

3.5 本章小结

4 阵列电极功能电刺激系统的设计与优化

4.1 功能电刺激靶向性能评价

4.2 粒子群算法简介

4.3 功能电刺激表面阵列电极的优化计算

4.4 不同功能电刺激波形的对比研究

4.5 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

附录1（攻读学位期间发表论文目录）