关键词:
脊髓损伤
运动功能重建
微电子神经桥
脊髓硬膜外电刺激
脊髓神经信号
刺激电极
植入式手术
摘要:
脊髓损伤(Spinal Cord Injury,SCI)是由车祸、高空坠落、疾病、运动等原因引起的脊髓结构与功能的损伤,导致患者出现感觉和运动功能障碍等一系列并发症。至今,脊髓损伤的治疗依然是医学中尚未解决的世界难题之一。恢复脊髓损伤患者的运动能力,尤其是行走站立能力,可以极大地提高脊髓损伤患者的生活质量。在临床治疗中,脊髓硬膜外电刺激(Epidural Spinal Cord Stimulation,ESCS)是一种有潜力的恢复脊髓损伤后运动功能的方法。本课题组于2004年提出了“微电子神经桥”方法用于脊髓损伤后的运动功能恢复,即通过电子信息系统恢复受损脊髓神经信号的通信。本论文基于“微电子神经桥”方法,通过电子系统设计和动物实验来研究恢复脊髓损伤后下肢运动功能的方法。
本论文设计了用于硬膜外脊髓刺激和脊髓神经信号探测的电子系统,并在脊髓损伤大鼠模型中开展了植入式动物实验研究,使脊髓损伤大鼠恢复了站立及下肢伸屈功能。本论文的主要研究内容如下:
(1)设计了一种确定脊髓损伤动物下肢肌肉运动功能重建的硬膜外定位的实验方法。本论文设计了一种用于确定脊髓损伤大鼠硬膜外脊髓电刺激位点的高密度柔性阵列电极,通过该电极遍历刺激大鼠T12~L2椎骨水平节段脊髓,并在刺激过程中记录诱发的大鼠双侧下肢(股外侧肌、半腱肌、胫骨前肌和腓肠肌)肌电信号以评价硬膜外刺激效果。确定了大鼠股外侧肌和腓肠肌的刺激位点,分析了不同脊髓节段的刺激效果。同时,在脊髓损伤大鼠下肢肌肉的硬膜外刺激运动区域中,研究了刺激强度、频率与目标肌肉刺激响应之间的关系。除了小动物模型大鼠外,我们还将确定刺激位点方法应用在大动物模型五指山猪上,确定了五指山猪的下肢硬膜外刺激节段。
(2)设计和研制了用于脊髓损伤大鼠的完全植入式8通道硬膜外脊髓电刺激系统,并进行了长期动物实验研究。设计的植入式ESCS系统包括可植入式脉冲发生器、植入式刺激电极、体外供电模块和基于手机的控制应用。植入体内的电路尺寸为25×25 mm2,刺激参数可通过手机应用进行设置。通过体外供电模块可以向体内的可植入式脉冲发生器充电。可植入式脉冲发生器使用氧化锆陶瓷封装并植入脊髓损伤大鼠体内。总结了固定刺激电极、可植入式脉冲发生器的植入手术方法。在两个月的植入式硬膜外刺激实验中,系统可正常工作,脊髓损伤大鼠下肢肌肉可被激活。
(3)结合大鼠减重训练跑台,在清醒的脊髓损伤大鼠模型中开展了ESCS实验。首先确定了清醒大鼠在减重训练跑台的固定方法,接着为使脊髓损伤大鼠通过ESCS产生更多的运动动作,设计了多通道(22通道)体外硬膜外刺激器和高密度(44位点)植入式刺激电极,通过硬膜外刺激实现了脊髓损伤大鼠在减重跑台上的站立和下肢伸屈等功能。通过行为学分析和肌电刺激响应评价了大鼠ESCS的效果。
(4)设计了脊髓信号探测系统及微电子神经桥原型系统,并开展了动物实验。设计了小型化的脊髓神经信号探测系统,系统包含8个探测通道,每个通道具有16 k Hz采样率,神经信号可通过Wi Fi模块传输至上位机。在动物实验中采集了大鼠脊髓神经信号。接着基于本研究设计的探测系统,设计了微电子神经桥原型系统,在动物实验中,验证了所设计系统的有效性。