外周神经在横向电场中的兴奋特性研究

传统的电缆方程和激励函数只能用于描述纵向电场中外周神经的兴奋，本研究提出一种基于两阶段过程的模型，可以描述外周神经在横向电场中的兴奋特性，结果显示径向的净内向电流是外周神经在横向电场中产生兴奋的原因，并且计算出横向电场的刺激阈值。此模型是对传统的电缆方程的补充。     

横向电场作用下外周神经的兴奋模型

外周神经的兴奋机理研究是以神经生理学的电缆方程为基础,方程中的激励因子只与外电场沿神经方向的纵向电场分量有关。但实验表明垂直于神经走向的横向电场也可以兴奋外周神经,因而传统电缆方程不能客观反映外周神经兴奋实际过程而需要改进。本文基于两阶段过程,建立了横向电场作用下外周神经的兴奋模型,表明了在横向电场作用下沿朗飞氏结径向的净内向电流导致了神经兴奋,从而阐述了外周神经在横向电场中的兴奋机理,改进了经典电缆方程。模型通过了离体实验验证。此改进的电缆方程可以描述任意电场激励下的外周神经兴奋。     

时间相干电场的外周神经无损刺激

外周神经电刺激可用于运动康复和慢性神经痛治疗,但目前具有空间选择性的无损刺激仍是一个有待解决的问题。提出一种基于时间相干(TI)电场的外周神经选择性无损电刺激方法,对大鼠坐骨神经进行实验,在其大腿腹侧与背侧皮肤上以平行于神经的方向布置刺激电极,通过相干电场扫描,将TI刺激峰值定位到神经上进行选择性刺激。结果表明,该方法可以在预先不知道神经确切位置的情况下通过扫描得出将刺激电场作用到神经的最佳电参数,从而实现对神经的选择性无损刺激,而且在刺激作用点不变的前提下实现刺激强度的控制。在此基础上研究TI电场对大鼠坐骨神经的刺激阈值I_T,测量固定频差Δf=0.5 Hz(n=12),改变频率f=1～6 kHz与固定f=5 kHz(n=11),改变频差Δf=0.5～10 Hz下的I_T,并将其和等幅kHz电场(n=7)的I_T进行比较。结果表明,等幅kHz电场的I_T显著高于TI电场(P<0.05),而且不同频率f下的I_T也有显著性差异(P<0.05),而不同频差Δf下的I_T却没有显著性差异(P>0.05),说明TI电流对大鼠坐骨神经的I_T受f影响而不受Δf影响,且刺激阈值I_T与频率f成正比关系。     

影响感应电场分布的线圈设计因素分析

本文理论上分析了影响头部磁刺激感应电场分布的各种因素,包括刺激线圈的形状、线圈的直径、直径与刺激深度比的影响以及线圈间距和通过线圈电流方向的影响等。分别计算了这些因素的变化引起的感应电场的变化情况,结果表明当直径为刺激浓度的２－４倍时刺激的定位性能较好。     

血液在有横向电场的流道中的表观粘度

本文根据流体力学运动方程,电磁场Mazwell方程和描述血液特性的Casson方程,在一定近似条件下,从理论上分析了血液在横向电场中流动时的电粘性效应;导出了相应的表观粘度表达式;并设计了一个实验系统来观测血液在横向电场中流动的电粘性效应。实验结果和理论结果一致指出,在横向电场中,血液表观粘度与外加电压本身以及由此而引起的细胞定向的改变,电生化反应和红血球压积变化有关。当外加电压低于某值时,其值随外电压上升而增加;反之,其综合效应是血液表观粘度随电压上升而下降;实验还指出当电场的参量达到某一范围,血液凝聚过程发展迅速,这一结果为发展某些临床止血手段提供了依据。     

脑部磁刺激磁场和感应电场的初步研究

作为脑部磁刺激研究的一项基础工作，本文建立了刺激磁场中的球形头模型，对方形线圈在其内产生的时变磁场和感应电场进行了理论研究。导出了Ｂ，Ｅ，Ｊ的解析表达式，分析了场的特性和刺激强度的分布规律。为进一步探索时变磁场对人脑的最佳刺激方式和作用机理提供了初步的理论基础。     

一种抑制反向感应电场的磁刺激线圈设计方法探讨

在无创性脑神经磁刺激技术中,多采用8字形磁刺激线圈,在线圈周围一定距离的空间中,对应8字线圈中心出现感应电场最大值,对应两个边缘处出现反向感应电场峰值,后者容易在刺激目标处产生副刺激,分析了8字形磁刺激线圈感应电场的分布,针对其反应方向感应电场幅值较大,容易引起副刺激的问题提出了新的磁刺激线圈设计方法,以抑制感应电场副峰,并进行了计算机模拟和验证。     

植入性运动修复术中新电极技术对刺激外周神经作用的展望

揭示了电极技术和刺激技术新方法,即用比现行的运动修复术系统小得多的植入物的有选择地激活外周神经干某个部分的方法。第一部分回顾了神经受机械和电刺激后,可能出现的问题即有关原理在今后电极技术中的应用,第于部分是有关神经选择性刺激方面的问题;第三部分提供了纵轴方向神经束内电极进行神经刺激和记录的结果。     

磁刺激中线圈感应电场的聚焦性研究

根据磁刺激线圈感应电场理论,对圆形线圈、8字形线圈、四圆形线圈和四叶形线圈感应电场的分布进行研究,结果表明四叶形聚焦性好,更利于磁刺激兴奋点的定位.     

中枢神经的无创性磁刺激技术及其应用

无创性磁刺激技术在中枢神经功能检测和神经肌肉功能恢复的应用是生物医学工程和神经电生理研究的一个新热点,文章从理论上对磁刺激的发生发展,物理原理,特性,磁刺激与标准电刺激的差别,外周磁刺激技术的多信道磁刺激对电刺激模型等最新发展,以及临床上磁棘刺激在肌肉功能恢复的作用做了全面介绍。     

经颅磁刺激电场分析研究进展

经颅磁刺激是一种利用通电线圈在脑部的诱发电场来调节皮质兴奋性的技术,广泛应用于神经病学、康复学等领域。经颅磁刺激诱发电场分析与安全性、刺激效果密切相关,在优化刺激方案、线圈设计方面具有重要意义,成为相关领域的研究重点。首先介绍经颅磁刺激3种常见的临床副作用,然后阐述经颅磁刺激现有研究中的常规电场分析方法,包括解析法和数值分析法及其应用场景,并讨论与电场分析密切相关的生物模型建模方法。此外,由于磁刺激线圈与组织中电场分布的密切相关性,介绍常规的刺激线圈结构类型,并结合磁刺激线圈的7种典型设计,分析基于有限元分析的球模型下的电场分布特征。最后,展望经颅磁刺激电场分析研究未来的发展趋势。     

磁刺激中深度感应电场分布的计算

磁刺激是利用变化磁场产生的感应电场作用于可兴奋人体组织的过程.根据磁刺激感应电场理论,计算8字形和四叶形线圈刺激深度感应电场的分布.结果表明通过线圈的电流方向直接影响感应电场的聚焦性.8字形线圈电流方向相反时用于刺激大脑皮层神经效果较好,而四叶形线圈电流方向左右相反,上下相同时,刺激外周神经纤维效果较好.     

磁刺激人体可兴奋组织的模及其感应电场的三维分析

磁刺激是利用时变电流流入线圈,产生时变磁场,从而在组织内感应出电流使某些可兴奋性组织产生兴奋的一种无创的诊断和治疗技术。本文建立了磁刺激可兴奋性组织的一般模型。确定了一些无量纲参数,对感应电场的分布函数进行无量纲化,并给出强度三维分布的计算机仿真。文中分析和讨论了决定刺激聚焦和刺激深度的因素,确定了设计合理的磁刺激线圈和可以使刺激效果和磁刺激装置都得到优化的依据。     

Magnetic and electrical stimulation of undulating nerve fibres: a simulation study

Mathematical models of myelinated nerve fibres are highly stylized abstractions of real nerve fibres. For example, nerve fibres are usually assumed to be perfectly straight. Such idealizations can cause discrepancies between theoretical predictions and experimental results. One well-known discrepancy is that the currently used models predict (contradictory to experimental findings) that an activation of nerve fibres is not possible with a pure transverse electric field. This situation occurs when a magnetic coil is placed symmetrically above a straight nerve fibre for magnetic nerve stimulation, or when an anode and a cathode are placed equidistantly on a line perpendicular to the fibre in the case of electrical stimulation. It is shown that this discrepancy does not occur if the physiological undulation of peripheral nerve fibres is included in the models. Even for small undulation amplitudes (e.g. 0.02 mm), it is possible to activate the fibre in these positions. For physiological undulations, as found in the literature, and favourable (off-centre) positions, the typical reduction of the thresholds is in a range between one and five, compared with perfectly straight fibres.     

Magnetic and electrical stimulation of undulating nerve fibres: a simulation study

Mathematical models of myelinated nerve fibres are highly stylised abstractions of real nerve fibres. For example, nerve fibres are usually assumed to be perfectly straight. Such idealisations can cause discrepancies between theoretical predictions and experimental results. One well-known discrepancy is that the currently used models predict (contradictory to experimental findings) that an activation of nerve fibres is not possible with a pure transverse electric field. This situation occurs when a magnetic coil is placed symmetrically above a straight nerve fibre for magnetic nerve stimulation, or when an anode and a cathode are placed equidistantly on a line perpendicular to the fibre in the case of electrical stimulation. It is shown that this discrepancy does not occur if the physiological undulation of peripheral nerve fibres is included in the models. Even for small undulation amplitudes (e.g. 0.02 mm), it is possible to activate the fibre in these positions. For physiological undulations, as found in the literature, and favourable (off-centre) positions, the typical reduction of the thresholds is in a range between one and five, compared with perfectly straight fibres.     

Transverse tripolar stimulation of peripheral nerve: a modelling study of spatial selectivity

Various anode-cathode configurations in a nerve cuff are modelled to predict their spatial selectivity characteristics for functional nerve stimulation. A 3D volume conductor model of a monofascicular nerve is used for the computation of stimulation-induced field potentials, whereas a cable model of myelinated nerve fibre is used for the calculation of the excitation thresholds of fibres. As well as the usual configurations (monopole, bipole, longitudinal tripole, ‘steering’ anode), a transverse tripolar configuration (central cathode) is examined. It is found that the transverse tripole is the only configuration giving convex recruitment contours and therefore maximises activation selectivity for a small (cylindrical) bundle of fibres in the periphery of a monofascicular nerve trunk. As the electrode configuration is changed to achieve greater selectivity, the threshold current increases. Therefore threshold currents for fibre excitation with a transverse tripole are relatively high. Inverse recruitment is less extreme than for the other configurations. The influences of several geometrical parameters and model conductivities of the transverse tripole on selectivity and threshold current are analysed. In chronic implantation, when electrodes are encapsulated by a layer of fibrous tissue, threshold currents are low, whereas the shape of the recruitment contours in transverse tripolar stimulation does not change.     

基于遗传算法的经颅磁刺激线圈阵列设计与场分布计算

为解决经颅磁刺激的兴奋点定位问题提出了以圆环面聚焦线圈阵列实现电磁聚焦的方案。而后,使用经过改进的自适应遗传算法对注入阵列各单元线圈电流的大小和相位进行了优化,在目标区域内很好的实现了电磁聚焦。通过计算,显示了线圈阵列在优化后的电流组态下产生的磁场和电场在计算区域内的分布和二维等高线图,表明了该聚焦线圈阵列可在目标区域产生具有良好聚焦性能的电场和磁场分布,并具有可同时聚焦至多个目标的能力。