关键词：
迷走神经
神经调控
微电子系统
电刺激动物神经
摘要：
糖尿病是临床常见的一种代谢性疾病,它通常被认为是由于胰岛素分泌不足或外周组织对胰岛素不敏感引起的,并可能引起各种组织、脏器的长期损害、全面衰竭。据相关机构统计,全球成人患病人数高达4.63亿,而我国是糖尿病患者第一大国,病患人数超过1亿,医疗花销在510亿美元以上。然而,糖尿病目前尚无根治方式。在生活方式干预治疗外,一般的医学治疗方法是口服降糖药物、或者皮下注射人工胰岛素控制患者血糖水平,防止或延缓糖尿病并发症的发生或发展。然而,无论是口服药或者皮下注射都需要每日或每餐长期坚持,给患者生活带来许多不便,部分患者的漏服、拒服或者害怕疼痛拒绝注射等情况给病情控制也带来了很多不确定影响。因此,探索一种非药物的技术治疗糖尿病具有非常重要科学价值、经济价值。神经功能调控技术是与传统临床医学治疗方法不同的一种新的微创疗法,其结合了神经科学、电子信息科学、生物材料学等多学科技术,是目前国际上神经科学与工程领域研究的热点和重点,在瘫痪肢体运动功能重建、抗胃食管反流、难治性癫痫等多种疾病治疗中发挥了显著有效的作用。近年来的医学研究表明,人体血糖的调节以体液调节为主,同时受到神经调节。课题组在2018年首创性提出了基于微电子技术的糖尿病治疗神经调控方法研究思路,即设计一套微电子系统,用与胰岛细胞神经调控。作为该项目前期研究工作的一部分,本论文主要是设计一套可植入式的微电子系统,其具备生物体可植入性、迷走神经电刺激等功能,达到用于迷走神经调控血糖水平的探索性动物实验的目的。本论文的研究内容主要包括:1)基于微电子技术的神经调控方法治疗糖尿病的系统需求分析和设计方案。本论文对糖尿病治疗的研究现状进行调研,针对神经调控胰岛素分泌的理论原理展开系统需求分析,确定选取双相平衡恒流刺激脉冲的调控方式,限定刺激信号的相关特性范围,分析植入式刺激器的体积、电源功能等需求,制订设计方案。2)具有脉冲输出精确控制、电量监测和无线充电功能的植入式迷走神经刺激器的电路设计。本论文按照嵌入式系统开发流程,围绕选定微控制芯片对电路各个模块进行功能设计、芯片选型和仿真实验,包括恒流刺激电路、电源管理电路、无线充电电路等,能够实现刺激信号输出的精准控制,添加设计电量监测反馈功能以利于对体内电池的管理监测。3)植入式迷走神经刺激器的嵌入式软件设计和Android系统手机控制程序设计。本论文结合刺激器硬件系统设计,参考开发例程对系统的嵌入式系统的软件应用进行设计,使用蓝牙通信方式传输字符串的形式完成从体外发送到体内接收与解析的控制,能够精准地控制输出波形的幅值、脉宽、周期等参数。另外设计基于Android系统的手机控制程序,该程序具有友好的人机交互界面,能够简单直观地与刺激产生互动,接收电量信息和发送控制编码。4)系统封装、电学性能测试与动物实验效果验证。本系统选取PDMS材料对刺激器进行封装,确保植入器件在生物相容性等方面的安全要求,并验证植入式刺激器的脉冲输出等电学特性,检验无线充电、电量监测等功能,最后开展以大鼠坐骨神经为电刺激对象的急性动物实验,对植入式系统的功能完整性和实际可操作性进一步验证,使其满足课题用于神经调控胰岛素分泌的实验探索研究的需求。
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