电触觉的皮肤神经机理仿真及实验验证

触觉学已经在很多领域得到应用,如遥控机器人、手术机器人、假肢、娱乐交互界面以及虚拟现实技术等,以此来增强人对机器或者虚拟物体的操作性。电触觉是现在主要的触觉再现措施,即通过改变恒流/恒压电脉冲的频率、脉宽、强度以及脉冲方向等因素,让人产生不同的触觉感。首先通过人体皮肤神经的建模推导出激励函数,并进行仿真研究,通过改变施加在电刺激阵列的电脉冲方向和强度,设计能分别刺激皮下3种刺激感受器（Meissner触觉小体、Merkel触盘、Pancinian环层小体）的实验范式,同时进行了心理物理学实验。10位受试者参加了实验,对食指进行电触觉刺激。正脉冲时采用不同频率（10、30、70、90 Hz）的电脉冲进行刺激,让受试者产生不同级别的振动感;负脉冲时采用不同脉宽（150、200、250、300 μs）的电脉冲进行刺激,让受试者产生不同级别的压力感。受试者对振动和压力的感觉强度进行主观判断。统计结果表明,该模型下的实验模式能够使触觉强度分级平均识别率高达80%以上,同时可通过对刺激电极分布以及电流大小的分析,找到最佳的刺激模式,保证最佳的触觉再现。     

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.     

基于认知再学习疗法的脑卒中康复治疗系统的设计及临床试验

针对脑卒中患者运动功能康复问题,提出认知再学习疗法、肌电视觉反馈疗法和肌电触发神经肌肉电刺激疗法三者结合的运动功能康复复合疗法,开发了一种基于嵌入式技术的脑卒中康复治疗系统以实现复合疗法。以Advanced RISC Machines (ARM) 9处理器S3C2440为控制核心,利用sEMG采集电路实现对脑卒中患者患肢肌电信号实时采集,并通过触摸显示模块实现肌电信号可视化,同时将采集到的信号与所设定的阈值相比较,根据比较的结果决定是否触发NMES刺激电路以实现有效的肌肉电刺激。软件设计运用Linux+QT平台开发,实现肌电参数的处理和显示,以及刺激参数的设置。采用脑卒中康复治疗系统对急性脑卒中患者(n=8)进行上肢运动功能治疗,试验结果表明接受系统康复治疗的试验组FMA上肢评分高于对照组(n=8, P<0.05),肌力分级水平也得到一定的提高。脑卒中康复治疗系统性能稳定,可显著改善脑卒中患者运动功能障碍。     

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.     

用于控制短消息发送的实时脑机接口系统

目的：设计一种基于视觉诱发电位的实时脑机接口,用于控制短消息发送。方法：实时脑机接口系统由视觉刺激器、脑电采集电路、FPGA开发板、通讯模块组成。脑机接口界面包括短消息发送的目标选项和内容选项界面,受试者每次实验注视刺激界面中的一个模块,通过检测视觉诱发脑电来确定受试者做出的选择。利用基于FPGA的VGA视觉刺激器为受试者提供视觉刺激,采集脑电信号并在FPGA平台上对其进行在线的实时分析处理。选用小波分解提取视觉诱发电位特征向量,输入BP神经网络进行模式识别,产生脑机接口控制信号,其中,小波分解和BP神经网络两部分由NIOS II实现。脑机接口控制命令用于控制TC35无线模块发送短消息。结果：通过对五名受试者做实验,识别准确率最高可以达到100%,脑机接口系统能有效控制短消息的发送。采用小波滤波、BP神经网络识别的算法优于时域波形匹配识别法。结论：实验表明本文提出的实现脑机接口短消息发送系统的方法具有可行性。     

采用表面阵列电极的神经肌肉电刺激系统设计与优化

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,其中电极设计和刺激波形对于神经肌肉电刺激效果具有重要影响.针对手功能康复需求,采用大小电极触点交叉排列的表面阵列电极,对人体前臂组织实施直流阴极刺激；基于人体前臂的简化层次模型,通过有限元法仿真人体前臂组织的电场分布,使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.在此基础上,选择前臂深层神经纤维激励函数的峰值和半宽度乘积之比作为靶向性能评价函数,利用粒子群算法对表面阵列电极的触点尺寸和间距进行优化设计.结果发现,当大、小触点尺寸分别为9.80和10.72 mm时,阵列电极的靶向性能最优,靶向性能评价函数最大值为11 252.68 V/m4.对比不同刺激波形作用下随时间变化的人体前臂深层神经纤维激励函数最大值,发现矩形波刺激下神经纤维激励函数最大值可达3.448 V/m2,稍高于其他刺激波形,有利于神经纤维的激活,从而为表面阵列电极设计和制定刺激处方提供理论指导.     

基于阵列电极的生物电刺激器研制

目的:设计制作一种用于阵列电极的便携式生物电刺激器。方法:下位机采用STM32L432KC作为硬件核心,设计小型DC-DC升压模块和光电隔离式双极性压控恒流源,通过串并转换芯片和光耦合双向可控硅选通电极输出电流;上位机采用Eclipse开发了在嵌入式Android系统下的人机交互软件,可以通过蓝牙模块以无线的方式灵活调节刺激电流幅值、脉宽、频率和电极选择方案。结果:刺激器能够选择最佳的刺激位点和刺激强度,为生物电刺激的临床应用和科学研究提供便利。结论:该仪器体积小、稳定性好、功耗低、操作方便,具有临床研究与推广价值。     

外部电场作用下的视神经纤维兴奋性的仿真研究

基于刺入式电极的视神经视觉假体,为盲人的视觉修复提供了新的可能性。为了对该视神经假体的电刺激策略和微电极设计提供理论支持,基于真实的电极结构,在COMSOL软件中建立刺入式微电极的外部电场仿真模型,并将其与利用NEURNO软件实现的神经纤维双层电缆模型结合,系统地研究电极与视神经纤维的相对位置、电刺激脉冲宽度以及电极几何结构的改变对视神经纤维兴奋阈值的影响。不同电极位置、刺激脉宽刺激下阈值变化规律的仿真结果,与以往报道的动物实验和仿真实验结果相符,证明了所建模型的有效性。 根据仿真结果,对刺入式视神经假体中刺激脉宽的选择和电极几何结构的设计,建议如下：窄脉宽刺激有利于降低能量消耗;电极锥度的设计要在满足电极力学特性及易于植入视神经的基础上,尽可能地减小,以降低纤维兴奋的阈值;电极的暴露面积越小,纤维兴奋所需的电流阈值越低,但电荷密度阈值越高;较低的电流阈值有利于减少能量消耗,但过高的电荷密度阈值却容易造成组织损伤,因此电极暴露面积的设计需要在耗能与安全性之间进行综合考虑。电极绝缘层厚度的改变对视神经纤维的兴奋阈值没有明显的影响,但从电极插入的难易考虑,应尽可能减小绝缘层厚度。以上结果对人体其他部位神经纤维的电刺激同样具有参考价值     

基于视觉假体的微阵列电极电刺激器研究综述

基于微机电技术制作的微阵列电极电刺激器广泛应用于康复领域。阵列电极电刺激器作为一种治疗神经损伤的工具,在刺激选择性和控制能力方面都具有优良的性能。视觉假体作为微阵列电极电刺激器中的一种主要应用于眼部疾病的治疗。它是通过对生物组织施加电刺激引起组织兴奋来产生光幻视。视觉假体主要分为视网膜假体和视皮层假体。该文介绍了这两种假体的研究现状,主要对其研究成果进行了总结并展望了微阵列电极未来发展面临的挑战。     

用于触觉导向探测与外形感知的一种初步结构

机械手、假上肢以及未来的矫正装置都需有较好的触觉传感系统,以便达到如下的三个重要的目的:1.物体表面的触觉探索、探子与摸索;2.物体的触觉处理;3.外形的感知。本文试图提供一种采用自动方法实现触觉导向探测和外形感知的初步结构系统。该系统可识别必要的传感器信启,包括该信息空间上与时间上的变化;用前馈与反馈两种方式的控制机构,实现系统的变速并构成感觉机械部分。这些特性,依次突出了未来的人造皮肤、触觉测定和处理系统设计中所需要的主要构成模块。这些构成模块包括:实时CNS机器,以实现必要的运算,变换与处理;传感器与处理器的阵列,以进行必要的操作及提取识别参数,处理所有触觉传感