帕金森病是一种运动神经障碍类疾病,是由纹状体黑质多巴胺减少引起的,特征是肢体的病理性震颤、僵硬和缓慢运动,严重情况下,会给患者的日常生活、工作和社会交往带来不便。在临床研究领域,国内外科研人员一直围绕着帕金森病进行相关研究,但研究进展有限,帕金森病的发病确切原理至今尚不清晰,且药物疗法最终会给患者带来副作用,引发运动或非运动并发症状。目前,国内外对帕金森病的研究大多集中在发病机制研究和药物治疗研究方面,而对非药理学的抑制措施的研究相对较少。因此,本论文尝试结合控制理论探索一条新的途径来抑制帕金森的发病现象。本论文并不深入研究帕金森病的机理,而是以抑制帕金森发病为目标,从非药理学而是控制方法的角度切入,结合仪器科学技术,以帕金森病发作时的多状态表象——脑神经信号、肢体表面肌电信号和运动生理信号检测为出发点,从帕金森病神经调控研究装置的设计、多传感发病信号的采集、智能闭环抑制策略等方面进行研究,旨在为控制帕金森病提供新的思路,最终提高患者的生活质量,为患者带来健康福音。主要研究工作如下:1.研究大脑运动神经元的网络结构和数学模型。采用数学方法和电学方法,基于经典基底核-丘脑网络模型,对大脑神经元中电信号的处理和传递过程进行了模型建立研究,给出了输入靶点神经元的实际电流公式,确定了脑深部电刺激方法作用于丘脑底部核团控制帕金森病发病的作用机理。采用高阶微分方程对脑部基底神经网络中的单个丘脑神经元、苍白球外侧神经元、苍白球内侧神经元特性分别进行了建模,给出了相应的膜电位方程和所有神经元间突触连接的参数和外部输入的参数。量化的神经元模型,为本论文中多传感闭环神经调控系统的研究奠定了机制基础。2.研究多传感神经调控仪器的设计方案。采用无源滤波结构,基于集成化芯片方案,设计高共模抑制比模拟前端电路,实现对微弱脑深部场电位和肢体表面肌电等生物电信号的有效检测;研究脑组织特性,设计满足脑深部阻抗驱动能力的多模态电脉冲输出电路,实现安全范围内的有效电刺激输出;采用穿戴式硬件设计方法,设计运动状态采集装置,实现机体运动状态识别与定量评估;采用无线组网技术,研究多节点的数据实时同步和交互方案,实现脑深部场电位信号、肢体表面肌电信号和机体运动信号的实时上传、数据分析以及闭环可调电刺激输出。多传感神经调控仪器的设计研究为本论文中提出并验证多传感闭环控制策略提供了仪器基础。3.研究多传感神经调节过程的闭环控制策略。基于机体多节点动作信号的检测,获取机体行走状态和静止状态数据,分析机体全身动作参数,研究帕金森病的症状等级定量评估方法,继承统一帕金森评估量表中经典的运动功能评定内容,改进评分量表方法中医生主观评分的方法,解决临床需要对帕金森病患者运动功能长期连续监测与客观评估的需求。研究将多状态生理信号检测、定量评估结果、自动控制技术和神经调节过程相结合,实现多信号反馈的闭环精确识别控制过程,解决了使用单一脑深部场电位信号作为反馈变量控制过程中患者出现震颤表象症状却没有检测到信号特征及输出电刺激的问题。多传感闭环控制策略的提出旨在为临床帕金森病的治疗方法探索一条新的研究途径。4.研究多传感闭环神经调控系统的综合实验。研究微弱信号源仿真过程,结合实验室测量仪器及生理盐水,模拟人体脑组织环境,给出微幅级别模拟脑深部场电位信号作为采集信号源,搭建神经调控实验平台,设计并实验验证本论文中的仪器能够实现对脑深部场电位信号的准确采集及闭环控制电刺激输出。从微弱信号采集、运动状态感知和电刺激输出方面对系统进行了功能测试,从信号采集对比、刺激伪迹滤除、驱动能力测试和安全可靠设计等方面对系统进行了性能测试,各项测试结果均满足实验要求。设计并实验验证肢体表面肌电、运动反馈控制策略实验方案的有效性;设计临床定量评估对照实验方案,获取机体运动数据,分析机体动作特征,给出运动特征综合定量评估结果。仿真和临床综合实验过程证明了本论文中提出的多传感闭环控制策略的可行性。