用于選擇性神經(jīng)刺激的刺激波形1

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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(lì)的電刺激波形設(shè)計(jì)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(duì)其他不同直徑的神經(jīng)纖維組不起作用?？臻g選擇性指的是能有效激活局部的神經(jīng)纖維而對(duì)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(jì)激勵(lì)波形的基本原則。重點(diǎn)要強(qiáng)調(diào)周圍有髓神經(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(lì)神經(jīng)系統(tǒng)的電刺激是對(duì)神經(jīng)受損個(gè)體進(jìn)行功能還原，也用于研究神經(jīng)系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。視覺

2、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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)神經(jīng)元功能不全的癱瘓病人。[56]，在這些個(gè)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(shí)現(xiàn)伸展和抓的動(dòng)作；刺激下肢實(shí)現(xiàn)直立和步行。有許多種電極已經(jīng)被運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)假肢的技術(shù)中。電極被用于刺激肌肉中的終端運(yùn)動(dòng)神經(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

3、】，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(duì)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(dòng)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(shí)要考慮許多因素，波形的選擇與采用的電極有關(guān)同時(shí)也要考慮生理反應(yīng)。電流型刺激與電壓型刺激比較對(duì)于植入電極，希望采用電流型而不是電壓型刺激。因?yàn)殡娏餍痛碳た梢员ＷC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

4、阻抗是電流密度和時(shí)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(shí)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?yàn)橐坏╇姌O移開，可以增加電流密度從而減小對(duì)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(gè)刺激波形時(shí)，考慮電極激勵(lì)所產(chǎn)生的損害，對(duì)電極或其下面的組織都很重要。充電時(shí)電荷以離子的方式從金屬電極流向組織，這時(shí)在電極與組織的接觸面上會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。這種反應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生其他的化學(xué)物質(zhì)，而這種化學(xué)物質(zhì)對(duì)組織是有毒或有害的[51]。某些

5、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(huì)在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，這就要求我們采用的刺激波形設(shè)計(jì)保證組織損害限制在一個(gè)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(dòng)作引起的生理過載。【1】這兩種損毀機(jī)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(shí)是損毀神經(jīng)的重要因素?！?2】。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(dòng)力。然而，有些反應(yīng)可能是因?yàn)樗俾实南拗?，電荷?/p>

6、入、恢復(fù)時(shí)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。【33】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(lì)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(duì)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(lì)的電極幾何學(xué)設(shè)計(jì)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(duì)選擇性激勵(lì)的影響而不是回顧不同的神經(jīng)電極類型。神經(jīng)直徑選擇性指的是能

7、激活一定直徑范圍的神經(jīng)纖維而對(duì)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(duì)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(shí)，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(yùn)動(dòng)軸突，大的運(yùn)動(dòng)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】。Fa