用于選擇性神經(jīng)刺激的刺激波形

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1、用于選擇性神經(jīng)刺激的刺激波形本文我們回顧了近來我們正進(jìn)行的用于神經(jīng)系統(tǒng)選擇性激勵的電刺激波形設(shè)計工作。我們考慮了兩種類型的選擇性。神經(jīng)纖維直徑選擇性指的是能有效激活具有共同直徑的神經(jīng)纖維而對其他不同直徑的神經(jīng)纖維組不起作用。空間選擇性指的是能有效激活所在區(qū)域的神經(jīng)纖維而對鄰近區(qū)域不起作用。根據(jù)神經(jīng)纖維的興奮反應(yīng)作為設(shè)計激勵波形的基本原則。重點要強調(diào)外圍有髓神經(jīng)纖維的興奮，其基本原則也廣泛地適用于所有的易興奮的膜。用于功能恢復(fù)的電激勵神經(jīng)系統(tǒng)的電刺激是對神經(jīng)受損個體進(jìn)行功能還原，也用于研究神經(jīng)系統(tǒng)

2、的形式和功能的技術(shù)。[21,31,48]神經(jīng)修復(fù)電刺激的應(yīng)用包括感覺系統(tǒng)和運動系統(tǒng)。視覺皮層的刺激在視野產(chǎn)生光幻視可能帶來視覺假體的發(fā)展[3,5].電刺激應(yīng)用于運動系統(tǒng)的有刺激橫膈膜來輔助呼吸系統(tǒng)，刺激薦骨前根神經(jīng)用于輔助膀胱、腸及性功能[12]。刺激由于顱腦損傷，中風(fēng)或脊髓損傷而運動神經(jīng)元功能不全的癱瘓病人。[56]，在這些個人應(yīng)用總有用于矯正足下垂而刺激的腓總神經(jīng)；有刺激上肢實現(xiàn)伸展和抓的動作；刺激下肢實現(xiàn)直立和步行。有許多種電極已經(jīng)被運用到運動假肢的技術(shù)中。電極被用于刺激肌肉中的終端運動神

3、經(jīng)纖維『28』，也有用于皮膚表面。經(jīng)皮肌肉電極[40,47,54]通過外科手術(shù)植入到肌肉內(nèi)，電極直接置于外周神經(jīng)干上或外周神經(jīng)干內(nèi)『59』，電極包括侵入式神經(jīng)弓上電極【60】，線電極、硅神經(jīng)內(nèi)電極[52/68]和卡膚電極[60]。已經(jīng)有多種不同的刺激波形應(yīng)用于不同的場合。對刺激波形的基本要求就是可以使神經(jīng)膜去極化而發(fā)出動作電位。我們下面討論刺激波形直接影響到生理反應(yīng)。因此，我們必須認(rèn)真選擇刺激波形才能得到期望的輸出波形。波形選擇的考慮在我們考慮選擇神經(jīng)的刺激波形時要考慮許多因素，波形的選擇與采用

4、的電極有關(guān)同時也要考慮生理反應(yīng)。電流型刺激與電壓型刺激比較對于植入電極，希望采用電流型而不是電壓型刺激。因為電流型刺激可以保證在受刺激組織處的電場與極化電壓無關(guān)，但由電壓型的刺激引起的在組織處的電場與極化電壓有關(guān)。（如，電壓偶然遇到電極－組織接觸面）。電極阻抗是電流密度和時間的復(fù)雜的、非線性的函數(shù)，因此在用電壓型刺激波形時組織處的電場是未知的也是不可以被控制的。電壓型刺激適用于表面電極，因為一旦電極移開，可以增加電流密度從而減小對皮膚的灼燒的可能性。在此，我們將著重討論可植入電極的應(yīng)用技術(shù)，而可

5、植入電極需要考慮組織處的產(chǎn)生的電場，所以我們考慮采用電流型刺激波形。安全性：電極腐蝕和組織損壞當(dāng)選擇一個刺激波形時，考慮電極激勵所產(chǎn)生的損害，對電極或其下面的組織都很重要。充電時電荷以離子的方式從金屬電極流向組織，這時在電極與組織的接觸面上會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。這種反應(yīng)可能會產(chǎn)生其他的化學(xué)物質(zhì)，而這種化學(xué)物質(zhì)對組織是有毒或有害的[51]。某些接觸面上的反應(yīng)通過采用兩階段電荷平衡刺激可以逆轉(zhuǎn)[30],從而不損壞組織。然而，即使采用兩階段電荷平衡刺激，不可避免地會在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，這就要求我們采用的刺激

6、波形設(shè)計保證組織損害限制在一個安全的范圍之內(nèi)。【27】有兩種電刺激可能引起組織損壞的確定的途徑。一種是在電極組織接觸面產(chǎn)生有毒的化學(xué)物質(zhì)，第二種是由于神經(jīng)內(nèi)非生理、同步產(chǎn)生的群動作引起的生理過載?！?】這兩種損毀機制在電荷密（電荷/電極面積）和每相電荷（電流幅值×脈沖寬度）已經(jīng)被證實是損毀神經(jīng)的重要因素。【32】。電荷密度是在電極－組織接觸面處電荷轉(zhuǎn)移之后的電氣化學(xué)反應(yīng)的驅(qū)動力。然而，有些反應(yīng)可能是因為速率的限制，電荷注入、恢復(fù)時間也同電荷密度一樣決定發(fā)生何種類型的反應(yīng)?！?、42』。每相電荷與

7、被激活的神經(jīng)纖維數(shù)有關(guān)，因此很有可能由于生理學(xué)上的過載導(dǎo)致?lián)p壞。刺激波形選擇將直接影響這些參數(shù)，不同的波形將導(dǎo)致不同的損壞方式?！?3】選擇性選擇性指的是激活一群神經(jīng)元而不激活其周圍的不希望被激活的神經(jīng)元集群。選擇性激勵的目標(biāo)神經(jīng)纖維集群或者是具有特定直徑的神經(jīng)（神經(jīng)直徑選擇性）或者是所在位置的神經(jīng)纖維（空間選擇性）。選擇性對于多通道的神經(jīng)假肢裝置和用于神經(jīng)系統(tǒng)的選擇性激勵的電極幾何學(xué)設(shè)計都是必不可少的。我們著重關(guān)注神經(jīng)系統(tǒng)的刺激波形對選擇性激勵的影響而不是回顧不同的神經(jīng)電極類型。神經(jīng)直徑選擇性

8、指的是能激活一定直徑范圍的神經(jīng)纖維而對超出此范圍的神經(jīng)纖維不起作用。如果一定直徑范圍的神經(jīng)纖維支配某一終端器官，這直徑區(qū)別于支配其他器官的神經(jīng)纖維的直徑。神經(jīng)纖維直徑對興奮閾的影響可以用下面的規(guī)則（規(guī)則1）來解釋：適應(yīng)外部電刺激，神經(jīng)纖維的朗飛氏節(jié)距離更大，從而導(dǎo)致跨膜電壓增大。[50]通常情況下，神經(jīng)直徑越大，朗飛氏節(jié)間的間距越大，當(dāng)使用常規(guī)的窄脈沖刺激時，粗神經(jīng)纖維比細(xì)神經(jīng)纖維需更小的刺激幅值就能被激活。如果是運動軸突，大的運動單元受粗神經(jīng)纖維支配，這些粗神經(jīng)纖維首先受電刺激而復(fù)原【34】。