基于无线供电的多通道微电子神经桥刺激器设计

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脊髓损伤导致肢体瘫痪会给患者和其家庭以及社会带来沉重负担。重建瘫痪肢体的运动功能对于提高患者的生活质量、帮助患者回归社会、减轻各方负担等方面均具有重要意义。本课题组前期提出了“微电子神经桥”(Micro-Electronic Neural Bridge,MENB)方法重建瘫痪肢体的运动功能。其主要思想是利用微电子装置替代受损的脊髓神经,将脊髓损伤平面上方的神经信号桥接至损伤平面下方,从而恢复脊髓神经信号的传递。“微电子神经桥”系统包括负责采集神经信号的探测模块和负责输出刺激信号的刺激器两部分。本文主要负责系统中能实现多通道、可植入、可无线充电目标的刺激器部分的设计,其目的是设计出一款基于无线供电的多通道微电子神经桥刺激器。本论文的研究内容主要包括:1.基于无线供电的多通道微电子神经桥刺激器整体方案设计:刺激器的设计由三部分组成。第一部分是植入式刺激器本身。第二部分是与刺激器配合使用的硬膜外刺激电极。第三部分是为植入式刺激器供电的体外无线充电模块。刺激器可长期植入生物体内对其脊髓施加刺激,并且保证稳定的电量供应。2.基于原始神经信号的刺激信号控制算法设计:首先通过与课题组同学合作进行动物实验探索脊髓硬膜外刺激对下肢肌肉运动的影响,测试了硬膜外刺激区域、刺激电流的幅值和刺激电流的频率对下肢肌肉的影响。之后根据实验结果结合常见的动作电位检测方法设计了基于原始神经信号的刺激信号控制算法,其可以从采集到的神经信号中分离出动作电位,并将检测到的动作电位进行适当的放大作为刺激信号输出,实现神经信号的桥接。3.植入式微电子神经桥刺激器的设计:本文首先在课题组王海鹏博士提出的基于互补型电流源和时分复用方法的刺激电路的基础上设计了微电子神经桥刺激器原型,其可以用于硬膜外刺激实验。接着在刺激器原型的基础上加入蓝牙通信电路和无线能量接收电路并缩小了整体体积设计出植入式刺激器,使得刺激器可植入动物体内接收“微电子神经桥”系统中探测模块传来的神经信号并将其转化为刺激电流输出,并且可以无线接收外界传来的能量为自身充电。4.硬膜外刺激电极与体外无线充电模块的设计:本文设计了三版硬膜外刺激阵列贴附电极和三种带有颅骨固定装置的金属丝电极,可在不同的动物实验场景中使用。也设计出为植入式刺激器无线供电的体外无线充电模块,并针对模块的外形结构设计出可穿戴封装。5.基于无线供电的多通道微电子神经桥刺激器动物实验研究:首先利用刺激器原型进行了大鼠背负式刺激实验和猪的急性硬膜外刺激实验,利用小体积植入式刺激器进行了大鼠植入式刺激实验,实验验证了刺激器的功能,可以通过硬膜外刺激激活动物瘫痪下肢的肌肉。随后在硬膜外刺激实验的基础上,将小体积刺激器与课题组同学设计的微电子神经桥探测模块相结合组成了“微电子神经桥”系统,并在大鼠模型身上开展了脊髓神经桥接实验,初步桥接了脊髓神经信号同时验证了系统的功能。
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