硬膜外脊髓电刺激(Epidural Spinal Cord Stimulation,ESCS)通过在脊髓的硬膜外腔植入刺激电极,然后采用一定宽度的刺激脉冲以激活相关的神经纤维,进而达到治疗神经系统疾病的目的。相关研究表明,ESCS在慢性顽固性疼痛的抑制和脊髓损伤后运动功能的恢复上具有明显的疗效,但该疗法中基本的神经机制和刺激方案的制定仍需通过动物实验和计算机仿真进行研究和确定。论文根据大鼠脊髓的解剖学结构和尼氏染色图片,构建大鼠脊髓腰骶段的三维几何模型,采用COMSOL Multiphysics软件设置脊髓各组织的电导率和模型的边界条件,求解大鼠脊神经的胞外电势分布;根据神经电生理学的基本原理,采用NEURON建立神经元双电缆模型,将大鼠脊神经的胞外电势导入后,计算该神经纤维的激活阈值。论文采用有限元方法,仿真单极刺激条件下大鼠脊髓组织内的电场分布,确定不同位置背根、腹根纤维和不同深度背柱纤维的激活阈值在不同刺激参数作用下的变化规律,分析了纤维位置和刺激脉宽对神经纤维激活阈值的影响,以及电极极性和脊髓节段对神经纤维动作电位传导的影响。仿真结果发现距电极最近的背根纤维具有最低的激活阈值为0.41 V,电极正下方的浅层背柱纤维的激活阈值次之为0.47 V,而激活阈值相对最高的神经纤维是腹根纤维为0.78 V;随着刺激脉宽的不断增加,背柱纤维的激活阈值逐渐减小,且不同深度背柱纤维激活阈值之间的差距也逐渐减小,而其激活阈值减小的幅度却逐渐变小;输出刺激相脉冲的电极触点的位置对神经纤维动作电位传导的始发位置具有明显的影响。采用合适脉宽的刺激脉冲有利于深层背柱纤维的兴奋,增加脊髓组织的激活区域,增强对深层神经纤维的募集能力。该仿真结果可为临床实验和动物实验中的刺激参数的合理选择和提高阵列电极的靶向性能提供一定的指导。