采用表面阵列电极的人体前臂电刺激仿真研究

表面阵列电极在改进刺激选择性和控制能力方面具有优越性能,而触点大小和间距是对刺激范围和深度影响最大的因素。针对手功能康复需求,在建立前臂同心圆柱层次模型的基础上,利用有限元仿真得到直流阴极表面电刺激下前臂组织内神经纤维的胞外电势分布,采用神经纤维激励函数表征外加电场对神经轴突电活动的影响。通过仿真研究不同触点尺寸和排列方式的阵列电极设计,采用激励函数峰值和半宽度评价刺激效果。结果表明,当阵列电极触点尺寸由12 mm增大到14 mm,间距由6 mm减小到2 mm时,被激活的靶组织区域面积增大了169.36 mm2,使得刺激选择性变差;而大小触点交叉排列的结构设计能使激活的靶组织区域面积减小至少89.52mm2,有助于提高刺激选择性能,从而为表面阵列电极的优化设计提供理论指导。     

新型螺旋电极胞外选择性刺激视神经的仿真分析

目的 电刺激中枢神经系统已用于治疗一些神经病、精神病和感觉障碍.尽管在一些应用里相当成功,但现有的刺激技术不能精确地控制激活靶向神经元.提出一种形状自适应的新型螺旋电极,实现选择性刺激视神经.方法 应用COMSOL Multiphysics建立视神经和新型螺旋电极的几何模型；新型电极由起支撑和绝缘隔离作用的硅橡胶螺旋支架和嵌入支架内的铂金触点组成.引入激活函数来表征刺激效果,应用COMSOL仿真分析新型螺旋电极对视神经纤维选择性刺激的能力,并考虑电极触点位置的变化对选择性的影响.结果 假定激活函数的归一化阈值为0.1 V/m2,新型螺旋电极和传统袖套电极激活函数大于阈值的比例差异仅为1.2410％.当新型螺旋电极两端的电极触点靠近中间触点时,可以先激活细视神经纤维束,后激活粗纤维束.结论 仿真结果表明新型螺旋电极可以达到传统袖套电极的刺激效果.改变新型螺旋电极的触点位置可以实现选择性激活视神经纤维束.     

由三维体积导体模型推导的磁刺激激发函数

最近我们提出用无髓神经纤维的磁刺激模型来预测神经兴奋的时间和地点。它由一个受类似干细胞外电极的电刺激激发函数影响的一维电览方程式组成。三维电场分布引起的神经刺激,其神经反应一般描述成一维电览模型,一维电览方程式的激发函数能代表被应用电场的功能。我们说明了如何协调神经刺激的一维表示和三维表示的关系及推导与两者相一致的磁刺     

基于COMSOL和NEURON的坐骨神经电刺激模型

为研究周围神经在接受电刺激时的兴奋规律,建立了坐骨神经电刺激的仿真模型。利用有限元仿真软件COMSOL对神经和卡肤电极建模并计算神经周围在外加刺激下的电场分布情况,将此电场分布信息导入到神经建模软件NEURON建立的神经模型中作为细胞外激励源,以分析电刺激下神经的电生理行为。在此模型上分析了刺激电极尺寸和间距、电刺激波形、环境温度和局部温度等参数对坐骨神经纤维兴奋性的影响,为神经功能电刺激的进一步研究及临床应用提供了理论基础。     

微电极阵列电刺激视网膜的温度场有限元分析

为了避免长期电刺激造成视网膜热损伤,本研究旨在探讨使用视网膜假体时电极阵列参数对视网膜温度分布的影响。参照实际的视网膜上假体,用有限元软件(COMSOL Multiphysics)建立4×4微电极阵列电刺激视网膜的三维模型,计算电刺激视网膜时的稳态温度场。分析了电极触点间距、材料与触点半径(即面积)等参数对温度场分布的影响。采用实际刺激电流,视网膜内稳态温度最大增加约0.004℃;电极触点间距从130μm增加到520μm时,温度降低约0.006℃;触点半径从130μm增加到260μm时,温度降低约0.005℃。结果表明,4×4微电极阵列电刺激不会对视网膜造成热损伤。视网膜内的最大温度随着电极触点间距的增加而降低,间距超过触点直径时最大温度之间的差异减少;温度随着触点面积增加而降低;不同电极材料之间的温度差别可忽略。合理地设计电极触点间距和面积可以减少电刺激时的温升。     

低频电刺激对脊髓损伤后膀胱过度活动抑制的仿真研究

目的 探讨低频脉冲（0～10Hz）刺激时,不同刺激波形对脊髓损伤后逼尿肌反射亢进诱发的膀胱过度活动症的结果,以寻求抑制膀胱过度活动的最优刺激波形.方法 首先根据McNeal的神经纤维电缆模型,基于Frankenhaeuser-Huxley （FH） 方程建立有髓神经纤维的膜外点电极刺激的仿真系统,评价低频电刺激中的四种波形,即正向脉冲、负向脉冲、双向对称脉冲、双向不对称脉冲的效果.通过电刺激脊髓损伤犬的阴部神经实验,验证仿真条件下最优刺激波形的临床效果.结果 仿真实验表明双向不对称脉冲的抑制效果最佳;动物实验表明以3V、0.1ms的正向脉冲为起始脉冲,结合1V、0.3ms的负向脉冲的双向不对称波形的抑制效果为最优.结论 低频脉冲刺激脊髓损伤犬阴部神经时,正向脉冲在前的双向不对称脉冲的刺激波形仿真效果最佳,并适用于临床实验,能够有效抑制膀胱过度活动,保护神经避免电化学损伤.     

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.     

基于手指的触觉替代视觉系统的设计与实现

目的:设计与实现触觉替代视觉系统(TVSS),该系统尝试通过电极阵列刺激皮肤产生触觉感受,并利用触点的二维分布,为盲人开辟一条重获视觉信息的新途径.方法:系统由三个模块组成:多通道电触觉阵列,电极驱动电路以及嵌入式控制图像处理模块.其中256通道的电触觉阵列通过将球形镍电极焊接到印刷电路板上的方式制作而成.采用多路分时技术为多通道提供高压电脉冲刺激信号,通过光电隔离电路实现强弱电信号之间的隔离与控制.使用DM642开发板来实现图像的获取、处理以及传输功能.结果:手指尖电脉冲刺激的阈值在130V左右.结论:不同的刺激脉冲宽度,会引起刺激阈值以及刺激效果的变化,150 V以上的电脉冲会在指尖产生一个局部的舒适的电触觉感受.     

神经纤维电刺激的非线性模型研究

0　引言对神经纤维电刺激兴奋规律的研究 ,在神经科学、康复工程等许多学科领域都具有非常重要的意义。对神经纤维电刺激兴奋规律的研究 ,主要包括两大部分内容 ,一是对电刺激产生的电场分布规律的研究 ,另一部分工作是对神经纤维本身的建模。在前人的工作中 ,将更多的精力花在了对神经纤维本身的建模工作中 ,而对电刺激产生的电场分布问题则往往将其简化考虑 ,例如 :忽略刺激电极的大小、忽略神经纤维、结缔组织等对电场分布的影响等等。这样做 ,在我们更需要对神经纤维本身进行了解时是可以理解的 ,也是可行的。但是 ,当我们已经对神经纤…     

017 多触点神经套箍电极的选择性:模拟分析

[英]/Adam QC…//IEEE Trans BME.-2001,48(2).-165～172 神经系统电刺激可以恢复某些有神经生理损伤的患者的功能.运动原修复术的发展,要求能进行精细的控制和能选择性刺激肌肉的电极.虽然神经套箍电极是加于支配选定肌肉的周围神经上,具有优于表面电极和肌外膜电极的许多优点,但达到选择性要求亦是困难的.最新的研究认为,在不影响生理功能的前提下对周围神经矫形,即通过加以一非对称压力使神经束的截面慢慢地变为扁平结构,便可以改善扁平的神经套箍电极的选择性.本文采用计算机仿真方法分析了神经套箍电极的选择性.引入了评价选择性的指数来反映神经电极刺激靶神经而不刺激其他神经轴索的能力,并对神经套箍电极的各种设计作了比较.神经套箍电极是由一电绝缘的套箍(cuff)和置于套箍内侧与神经束表面的多个触点电极组成.三维有限元模型用以描述神经和套箍电极的电特性,并确定神经束中神经轴索的受激性质.分析结果表明,扁平的套箍电极有利于刺激电流达到神经束中的神经轴索,从而可降低刺激电流强度,减少对肌肉收缩产生的机械张力的敏感性,提高神经刺激的选择性.但是,在套箍电极的设计中应具有较多的触点电极并使各触点与神经束间维持均匀的接触强度. (华文摘)