高頻神經電刺激應用研究：相對安全的選擇性神經興奮和神經傳導阻斷方法設計.pdf

1、高頻(kHz)雙向電刺激可實現(xiàn)神經局部傳導阻斷和神經選擇性興奮，來減輕疼痛、緩解肌肉抽搐與僵直、提高泌尿效率與恢復肌肉運動，所以安全有效的高頻電刺激方法具有重要的科研與臨床應用價值。但目前由高頻電刺激引起的神經損傷尚未得到廣泛關注。為此，本文主要通過高頻刺激波形的電荷量與高頻刺激前后復合動作電位(Compound Action Potential，CAP)的差異來分析高頻電流對神經傳導功能的影響，統(tǒng)計不同高頻雙向對稱電流的參數(shù)對神經的損

2、傷作用，并根據(jù)統(tǒng)計結果及可能的損傷機制對刺激波形與刺激電極進行相應的優(yōu)化，設計更安全的高頻電刺激方法。
　　本文使用不同參數(shù)（幅度、時長與頻率）的高頻雙向對稱電流分別對神經造成的整體損傷趨勢進行統(tǒng)計。通過在阻斷閾值的0.15-10倍范圍內改變高頻電流幅度，損傷會隨著高頻幅度的增加呈現(xiàn)增大-減小-增大的變化曲線，其中在阻斷閾值時對應的損傷達到局部最大值，在2.8倍阻斷閾值處時達到局部最小值，10倍阻斷閾值時神經完全損傷。實驗在相同電

3、荷量的前提下，所選高頻刺激頻率（1.25 k，2.5 k，5k與10kHz）越大，對應的損傷越小。而高頻連續(xù)刺激時長（5、15、25、35、45、55與60 s）對神經的損傷程度與恢復速度都有影響。時長越大，損傷逐漸增加，恢復速度減緩，且在給定的時間內CAP最終恢復的幅度依次下降。所以幅度為阻斷閾值的2.8倍，頻率越高和時長越長，神經的損傷相對較小。
　　在高頻雙向對稱電流阻斷神經傳導功能實驗中發(fā)現(xiàn)，雖然較低幅度的高頻電流阻斷效果

4、不佳，但可以調節(jié)神經的興奮性，再結合其對應的神經損傷較小，奠定了高頻電流應用在神經選擇性興奮上的可能性。本文在仿真實驗的基礎上使用具有一定頻率的高頻電流和一定延遲時間(d)的測試脈沖組成的小電量信號刺激神經模型，通過改變測試脈沖出現(xiàn)的時間延遲(d)和高頻電流頻率實現(xiàn)了選擇性興奮5-16μm范圍內某一直徑附近的神經纖維。當延遲時間d為0.83、0.84、0.85、0.86、0.87、0.88和0.90 ms時，電刺激可以分別實現(xiàn)對5、7、

5、8、9、10、11和15μm附近神經的選擇性興奮;當高頻電流頻率為5、6、7、8、9和10 kHz時，電刺激可以分別實現(xiàn)對7、8、10、11、14和16μm附近神經的選擇性興奮。
　　較合理參數(shù)的高頻雙向對稱電流刺激仍對神經造成較大的損傷。為此，本文通過改變高頻刺激波形（降低樣機脈沖幅度和脈沖對之間插入零電位的間隔）與刺激電極（改變電極材質和增加電極尺寸）來優(yōu)化神經阻斷的方法。其中陽極脈沖小幅度降低而陰極脈沖不變（陽/陰極幅度比處

6、于0.8-0.98之間）的高頻雙向不對稱波形可顯著的降低神經損傷。另外，在脈沖對之間插入適當?shù)拈g隔，能夠減小刺激電流的每相電荷量（最大降低56.8％）與單位時間電荷量（最大降低95.2％）。將極化電極Pt代替非極化電極Ag/AgCl，阻斷率相對穩(wěn)定，平均損傷能夠相對降低11.5％，且在最優(yōu)尺寸處（原電極尺寸的9倍）相對降低8.9％。
　　本文利用高頻雙向電刺激分別基于神經模型仿真實驗與牛蛙坐骨神經實驗實現(xiàn)了神經的選擇性興奮與神經傳

7、導阻斷。在選擇性興奮神經方面，使用的刺激波形相對于其他方法具有小電量的優(yōu)勢。在神經傳導阻斷方面，通過對高頻雙向電流對神經的整體損傷分析確定了相對安全的刺激參數(shù)（2.8倍阻斷閾值左右的電流幅度、較短的刺激時間和較高的電流頻率）。其中幅度參數(shù)對神經損傷呈現(xiàn)增大-減小-增大的變化曲線，電化學反應，離子濃度的改變和神經溫度的驟升可能分別對三個階段的損傷機制起主要作用。為了減小高頻刺激對神經的損傷作用，本文結合上述損傷機制，設計出優(yōu)化的神經阻斷方