基于功能电刺激的膀胱功能重建的关键技术研究

摘要

在骶髓上脊髓损伤的病人中，有相当高的比例会出现神经源性的贮尿和排尿功能双重障碍，严重影响患者生活质量，并成为脊髓后损伤的病人的主要死亡原因之一。由于传统的膀胱功能重建方法无法完全治愈大多数患者，基于功能电刺激的重建方式得到广泛应用。而且，国内尚没有拥有可以直接用于临床骶神经刺激装置的自主知识产权。
　　在此背景下，本课题组设计了跨皮无线骶神经刺激系统来实现膀胱运动功能的重建。其原理是利用通过刺激骶神经前根实现逼尿肌的收缩，并采用刺激后排尿和预疲劳尿道外括约肌的刺激策略来克服逼尿肌与尿道外括约肌的不协同性。这一系统由控制盒、发射模块、接收模块组成。控制盒用于用户交互和刺激信号的生成，实现了骶神经前根刺激的刺激策略;发射模块用于刺激信号信号的调制;接收模块用于刺激信号的解调，并加载在电极上。本论文中进行了控制盒的硬件和软件设计。
　　本论文使用STM32f103ZET6作为控制盒的核心，设计了控制盒的各个模块，包括多通道与门、USB虚拟串口、数控升压电源、触摸液晶屏的电路原理图，并且设计了用于控制盒的电路板和机壳，实现了控制盒的集成。在软件设计方面，所设计的软件包括了数控升压电源的离线校准程序和实际运行时的程序。这两部分程序都包括了控制盒嵌入式部分和上位机部分。实际运行的程序通过移植μC/OS-Ⅱ的操作系统实现了刺激参数的显示、调整、存储、回放，刺激的产生等功能。
　　在控制盒的硬件和软件设计完成之后，进行了跨皮无线骶神经刺激系统的联合调试，包括信号特性实验、不同介质条件下的实验、以及动物实验，实验结果表明跨皮无线骶神经刺激系统可以在植入深度达到4cm的情况下实现多通道跨皮功能电刺激。
　　本论文还设计了植入式膀胱压力传感系统原型，用于监测膀胱内压。在充分调研论证这一系统的可行性后，进行该系统原型的系统设计和硬件设计，并通过压力校准实验证明了该系统原型实现了较为准确的压力测量和测量值的无线传输等功能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 脊髓损伤与神经源性膀胱

1．1．2 神经源性膀胱的传统治疗方法

1．2 基于FES的膀胱功能重建的文献调研

1．2．1 功能性电刺激的神经生理学基础

1．2．2 电刺激位置的选择

1．2．3 克服括约肌和逼尿肌不协同性的刺激策略

1．3 骶神经刺激装置研究进展

1．3．1 Finetechi-Brindley系统

1．3．2 其他骶神经刺激装置

1．3．3 对骶神经刺激装置的文献调研的总结

1．4 本论文的研究内容、目标与课题组前期工作基础

参考文献

第2章 跨皮无线骶神经刺激系统的系统方案设计

2．1引言

2．1．1 现有的骶神经刺激装置的刺激参数调研

2．2 系统功能与系统指标

2．2．1 系统功能

2．2．2 系统指标

2．3 系统技术方案

2．3．1 系统结构

2．3．2 系统无线通信频率的选择

2．3．3 系统刺激参数的设计

2．3 系统集成与封装方案

2．3．1 系统集成

2．3．2 体内模块的封装

2．4 本章小结

参考文献

第3章 跨皮无线骶神经刺激系统控制盒的硬件设计

3．1 引言

3．1．1 ARM架构微处理器简介

3．1．2 嵌入式微处理器的主要性能指标

3．2 跨皮无线骶神经刺激系统控制盒总体设计概述

3．2．1 控制盒主控微处理器的选型

3．2．2 控制盒主控总体架构的设计

3．3 跨皮无线骶神经刺激系统控制盒各模块硬件电路设计

3．3．1 STM32f103zet最小系统的设计

3．3．2多通道与门模块的设计

3．3．3 触摸液晶屏模块的设计

3．3．4 刺激参数存储模块设计

3．3．5 数控升压电源模块的设计

3．3．6 USB虚拟串口模块的设计

3．3．7 电池的选择和控制盒电源模块设计

3．3．8 控制盒其他电路模块的设计

3．4 跨皮无线骶神经刺激系统控制盒的制作

3．4．1 控制盒电路板的制作

3．4．2 控制盒外机壳的制作

3．5 本章小结

参考文献

第4章 跨皮无线骶神经刺激系统的软件设计

4．1 引言

4．1．1 嵌入式系统软件开发基本步骤

4．1．2 嵌入式软件开发工具简介

4．1．3 上位机软件开发工具简介

4．2 软件开发总体任务

4．3 控制盒数控电源部分离线校准程序设计

4．3．1 控制盒嵌入式程序部分的设计

4．3．2 上位机程序部分的设计

4．3．3 控制盒数控电源部分离线校准程序的测试

4．4 实际运行时的程序设计

4．4．1 控制盒嵌入式程序部分的设计

4．4．3 实际运行时的控制盒程序测试

4．4 本章小结

参考文献

第5章 跨皮无线骶神经刺激系统的级联测试

5．1 体内部分植入深度的文献调研

5．2 信号特性实验

5．2．1 信号频率特性实验

5．2．2 信号脉宽特性实验

5．2．3 信号幅度特性实验

5．2．4 负载特性实验

5．2．5 实验结果讨论

5．4 不同介质条件下的轴向失配实验

5．4．1 空气介质实验

5．4．2 生理盐水介质实验

5．4．3 猪肉介质实验

5．4．4 实验结果总结

5．5 活体动物实验

5．5．1 实验动物选择

5．5．2 蟾蜍实验

5．5．3 实验结果总结

5．6 本章小结

参考文献

第6章 植入式排尿报警系统原型的设计

6．1 引言

6．1．1 排尿报警装置的研究现状调研

6．1．2 植入式膀胱压力监测装置的现状调研

6．2 整体方案设计

6．2．1 整体功能

6．2．2 系统指标分析

6．2．3 系统结构和系统框图

6．3 系统硬件设计

6．3．1 压力传感模块的设计

6．3．2 RF SOC的选型和设计

6．3．3 语音模块

6．4 系统测试

6．4．1 压力校准的实验方法设计

6．4．2 未进行封装的条件下压力校准结果

6．4．3 封装后的压力校准结果

6．4．4 实验结果讨论

6．5 本章小结

参考文献

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

硕士阶段论文发表

致谢