硬膜外脊髓电刺激的应用研究进展

硬膜外脊髓电刺激(epidural spinal cord stimulation,ESCS)是一种将电极植入脊柱椎管内硬膜外腔,通过脉冲电流直接作用于脊髓神经的中枢神经功能性电刺激方法,最初应用于对慢性顽固性疼痛的抑制,之后的研究主要集中于该方法在运动功能恢复及神经系统疾病诊断等方面,现已成为神经接口与康复工程中的一个研究热点。本文通过总结ESCS在疼痛抑制、运动功能恢复中的研究进展,并结合ESCS研究背景,探讨了ESCS作用机制及刺激参数的优化。随后通过简述ESCS在运动功能恢复的应用研究,并结合ESCS刺激系统,提出了研制应用于运动功能的植入式刺激器的重要性,最后对ESCS的研究趋势进行展望。     

基于有限元-神经元模型的大鼠硬膜外脊髓电刺激仿真研究

临床研究证实,硬膜外脊髓电刺激（ESCS）能促进脊髓损伤后的运动功能恢复,但基本神经机制则需通过动物实验进行研究。在建立大鼠ESCS有限元-神经元组合模型的基础上,仿真L2节段单阴极刺激条件下脊髓组织内的电势分布,确定L1到S2节段背根、腹根纤维和不同深度背柱纤维激活阈值的变化规律,分析纤维位置和刺激脉宽对神经纤维激活阈值的影响。仿真结果发现,距电极最近的背根纤维激活阈值最低为041 V,浅层背柱纤维的激活阈值略高为047 V,最近腹根纤维的激活阈值最高为078 V,减小电极-纤维距离有利于脊髓纤维的选择性激活;不同深度背柱纤维的激活阈值随刺激脉宽增加而减小,但脉宽过大导致背柱纤维激活阈值的降幅变小,过长的脉宽使得激活阈值的降幅趋缓,合理选择刺激脉宽有利于激活深层背柱纤维,增加脊髓组织的激活区域,提高ESCS对于深层背柱纤维的募集能力。该仿真结果可为动物实验研究中合理选择刺激参数、提高刺激选择性能提供理论指导。     

多通道经颅交流电刺激仪的设计

目的:电信号不同,对生物进行电刺激产生的生物效应也不相同。医疗领域已经研究出了许多有效成熟的电刺激治疗模式,市场上已有很多具有简单模式的电刺激仪,它们一般都只有特定的治疗模式,功能比较单一。为了满足多模式联合治疗和医学实验的需要,我们研发了一款具有多种治疗模式的交流电刺激仪。方法:该交流经颅电刺激仪选用TI的低功耗MSP430F413单片机作为主控芯片,控制以MAX038作为信号发生芯片的波形发生电路。因为MAX038能够产生0.1 Hz-20 MHz可调的正弦波、方波、三角波,可以实现两个独立控制波形的耦合输出,因此能够形成多种刺激模式。通过软件编程,使该电刺激仪具有丰富的参数设置与显示功能。结果:研制出的电刺激仪具有内置多种常用治疗模式(其中有2个为多治疗模式定时自动转换的可循环模式),利用6个中断按键作为控制键,可以方便快捷地进行模式选择和参数设置。通过配备不同的电极,可以进行电流与电场治疗模式切换:导电电极用于电流治疗,绝缘电极用于电场治疗。结论:经过多次调试和验证,该电刺激仪的输出电压Vp-p为5 V,可按需要外接医用功率放大设备进行放大,输出频率可调范围为0.1 Hz-5 MHz,调节精度为±2%,可以输出噪声较低的方波,三角波,正弦波及其调制波形,具有良好的稳定性和可靠性,同时满足国际电工委员会颁布的医疗设备安全标准,达到了最初的设计要求。     

多功能动物减重训练跑台的研制

临床实验证实,减重与脊髓硬膜外电刺激相结合的新疗法,具有提高不完全脊髓损伤患者康复后行走能力的功能。研制一种多功能动物减重训练跑台,为医学研究提供先进的动物实验手段。该跑台包括跑步机、减重支持装置和康复机械手,跑步机速度0～25 cm/s内无级可调,减重支持装置用于改变动物后肢负重,康复机械手辅助动物后肢完成训练任务,记录运动轨迹用于定量评价运动功能。初步实验结果表明,该跑台既可对健康大鼠进行不同强度运动训练,又可为具有后肢运动功能障碍的不完全脊髓损伤大鼠提供减重支持,进行减重及其组合疗法的动物实验研究。     

术中神经电生理学监测

一、术中监测电极(一)刺激电极盘状刺激电极(火棉胶固定)皮下针形刺激电极表面自粘式刺激电极鞍式刺激电极经脊髓穿刺针导入式刺激电极(用于在硬膜外、下直接刺激脊髓)硬膜外表面刺激电极(用于在硬膜外直接刺激脊髓)针尖裸露的长60~75mm针形刺激电极(用于经椎板间接刺激脊髓)长1.2~1.5cm的棘突刺激电极(插入到部分切除的棘突内,间接刺激脊髓)鼻咽刺激电极(有二个弯曲,头部球形,用于刺激椎弓根金属螺丝(孔))末端为球形的长柄形双极刺激电极(极间距5mm,用于探查刺激N结构)单极刺激电极(整体绝缘,尖端裸露Φ0.5~1mm,用于探查刺激N结构,如面N)…     

大鼠硬膜外双电极脊髓电刺激模型的建立

目的:为研究脊髓电刺激(spinal cord stimulation,SCS)镇痛作用的机制提供方便、实用和有效的SD大鼠脊髓硬膜外双电极刺激模型。方法:选取250~350 g雄性SD大鼠,结扎其左侧L5脊神经制作神经病理性痛模型。在此基础上,将制作的电极置入脊髓背侧硬膜外间隙(T11~T12),电极尾端经皮下隧道从颈后部引出、并固定于皮肤。术后恢复5 d,行脊髓电刺激测试。用电子Von Frey测试仪测量建模前后大鼠后肢的机械性缩足阈值,评估硬膜外双电极刺激对其术侧后肢机械性缩足阈值的影响。SCS测试后第2 d,在大鼠腹腔内注射大麻素1型受体(CB1)的拮抗剂AM251,然后观察AM251对大鼠SCS镇痛作用的影响。结果:大鼠左侧后肢机械性缩足的基础阈值为49.37±6.99 g,L5脊神经结扎及硬膜外电极置入术后机械性缩足的阈值为19.23±5.12 g,行SCS(20 Hz,150~200 mV)30 min后术侧机械性缩足阈值为35.62 g±7.27 g,与给予SCS刺激前比较具有显著性差异(P0.01);而与手术对侧(右侧)相比,机械性缩足阈值无明显变化(P0.05)。腹腔注射AM251可翻转SCS的镇痛作用(15.00±1.01 g,P0.01)。结论:硬膜外双电极植入方法取材容易,简单易行,与当前临床普遍应用的电刺激装置极为相似,为进一步研究脊髓电刺激的镇痛机理提供了可靠的模型,并为其他领域脊髓硬膜外电刺激实验动物模型的制作提供了参考。本文结果还提示内源性大麻素CB1受体可能参与SCS的镇痛机制。     

基于工控机的除颤仪的研究

目的：研制一台基于工控机的具有心电监护和除颤功能的除颤仪。方法：本项研究利用一块工控机主板（PⅡ/233CPU），心电电极，除颤电极，心电监护模块，12位模/数转换器，自行设计的除颤高压发生和控制模块，除颤执行模块，保护和隔离模块等构成本仪器的硬件，本项研究主要利用C语言设计本实验样机的软件，包括主控制程序，心电监视中断子程序和除颤中断子程序等，本项研究还利用电刺激方法建立实验犬的室颤模型，并利用4条实验犬进行体内和体外的除颤实验。结果：本项研究所采用的电刺激方法可以建立实验犬的室颤模型。所研制的实验样机可实时监护实验犬的心电信号和成功进行实验犬的体内和体外的除颤实验。结论：所研制的实验样机是一个新型的有临床应用前景的心电监护和除颤仪。     

不同电极电刺激对有髓神经传导阻断影响的仿真研究

目的 比较双电极双向脉冲刺激和单电极双向脉冲刺激在神经纤维传导阻断中的阻断阈值以及对神经纤维的损伤,并通过该研究为电刺激促进脊髓损伤后下尿路功能重建的动物实验选择最优的刺激模式.方法 以有限长单根有髓神经为研究对象,以两栖动物的有髓神经纤维FrankenhaeuserHuxley（F-H）模型为仿真研究基础.结果 比较了单、双电极在双向对称方波以及双向间歇方波作用下的阻断阈值以及单双电极在同样的刺激条件下（包括刺激波形、频率以及电流强度）产生的离子电流强度大小.结论 双电极的阻断阈值大于单电极的阻断阈值.在相同的刺激条件下,双电极双向脉冲刺激对神经的损伤程度小于单电极双向脉冲刺激.     

一种可实现动物清醒状态下施加经颅直流电刺激的方法

目的:建立一种适用于小型实验动物,特别是啮齿类动物清醒状态下施加经颅直流电刺激(transcranial direct currentstimulation,t DCS)的方法以满足实验室研究的需要。方法:根据实验需要自行设计并制备杯状电极及配套电极-电路连接装置;通过骨水泥和颅钉联合固定的方法将刺激电极固定于目标脑区对应的颅骨表面;连接刺激通路、调节刺激参数,并开始对实验动物施加清醒t DCS刺激,在刺激过程中检测电流和电压变化并观察实验动物的反应;通过与传统金属电极比较证明该方法在长期饲养和多次刺激时的可靠性。结果:成功制备符合实验要求且规格一致的杯状电极与电极-电路连接装置;成功通过骨水泥及颅钉联合固定的方法将刺激电极长期固定于目标脑区对应的颅骨表面;实现动物清醒状态下t DCS刺激,刺激期间电流稳定,动物未出现神经精神行为异常;比较该杯状电极与传统电极发现,为了达到预订刺激电流强度,传统金属电极组需要更高的输出电压(P0.01),并且杯状电极在固定牢固性、刺激电流稳定性和操作简易性等方面明显高于传统金属电极,同时杯状电极重复利用度明显高于金属电极。结论:本方法制备的杯状电极可以满足小型实验动物长期、多次清醒t DCS刺激的需要,与传统金属电极相比具有明显优势。     

脊髓分级压迫对大白鼠脊髓诱发电位的影响

自从1911年Allen开始实验性脊髓损伤研究以来,国外己报告和积累了大量实验材料。在建立了适于标准化的压迫方法和评价方式的基础上,本实验研究了脊髓压强分级递增压迫与大鼠脊髓诱发电位(SEP)之间的函数关系。 麻醉下分离一侧下肢腓总神经,置放刺激电极,刺激强度稍大于产生最大SEP时的电压,通常为8-11V;椎板切除暴露腰膨     

Relationship between the audiogram and the duration of the tone measuring the threshold

Summary In addition to the data on intensity-duration curves of the threshold tones, the threshold audiograms are constructed for the different durations of the threshold measuring tone. The durations 0.5; 2; 5; 20; 100 and 850 msec and frequencies 200, 500, 1000, 2000, 3000, and 5000 cps were used. Even when the duration of the testing tone is so short that this tone becomes a noise, the pattern of an audiogram in cases of normal hearing has some resemblance to the typical audiogram. But the great remoteness of the point for 1000 cps from the minimum zone draws attention. As the duration of the testing becomes longer, the audiogram of a person with normal hearing is gradually transforrned from a V-shaped curve with a sharp minimum into a typical curve with an elongated minimum zone, and the point for 1000 cps shifts from the left ascending branch of the audiogram to the center of the minimum zone. Several audiograms are obtained for 2 patients with a partial hearing loss, resulting from growing age, and 1 patient with a severe hearing loss of traumatic origin. Peculiar changes in these audiogram could be clearly seen at the least durations of the testing tone used. The diminishing of absolute threshold, when the tone duration is prolonged from 100 to 850 msec, is less for the listeners with impaired hearing.(Presented by Academician V. N. Chernigovskii) Translated from Byulleten' Éksperimental'noi Biologii i Meditsiny, Vol. 54, No. 10, pp. 21–26, October 1962.