低强度脉冲超声神经刺激系统研制及炎症调控应用研究

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低强度脉冲超声(Low-intensity pulsed ultrasound,LIPUS)是指强度低于3W/cm~2并以脉冲形式传递的超声波,具有高分辨率、强穿透性、非侵入性的优点。低强度脉冲超声作为一种新型神经调控技术,具有良好的靶向性和低损伤性。但目前用于神经调控的超声系统均存在参数调节匮乏、输出能量有限的缺陷,难以满足广泛的低强度脉冲超声实验需求。为了解决该问题,该文研制了一种多参数可调且能量输出范围广泛的低强度脉冲超声神经刺激系统,并通过炎症调控实验对系统性能进行了验证。首先,开发了低强度脉冲超声神经刺激系统,并以此为核心搭建了输出测试平台,测试了系统输出能量及可行性。系统中信号发生模块在FPGA的控制下,基于DDS原理产生数字正弦波,通过配置数模转换芯片调整超声参数,经幅值控制输出原始正弦波形;功率放大模块中经前置放大后,借由功率分配和功率合成技术,基于次级放大模块完成对原始正弦信号的功率放大,最终产生足以驱动超声换能器的超声波。在以上的工作基础上,搭建输出测试平台,对低强度脉冲超声神经刺激系统产生的超声声强及声场进行测试分析。此外,分析了不同参数下超声声强输出差异及准直器和颅骨对超声输出的影响。其次,搭建了超声生物刺激平台并获取了低强度脉冲超声调控外周炎症数据,对其进行了统计分析。设计了两种针对不同程度外周炎症的低强度脉冲超声脾脏调控方法,以小鼠脾脏内炎症因子水平作为观测指标,通过对数据的统计分析验证了低强度脉冲超声神经刺激系统在调控外周炎症方面的性能,分析了低强度脉冲超声通过神经调控改善外周炎症的机理。最后,获取了低强度脉冲超声调控中枢神经炎症数据,并对其进行了统计分析,验证了低强度脉冲超声神经刺激系统在调控中枢炎症方面的性能。设计了一种基于低强度脉冲超声的中枢神经炎症调控方法,以海马组织内炎症因子水平和水迷宫行为学数据作为观测指标,通过统计分析验证了低强度脉冲超声神经刺激系统在改善中枢神经炎症及其诱导的认知功能障碍方面的可行性。
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