文档介绍：仿生机器人概论课程论文
《仿生机器人概论》课程论文
神经电刺激的基本研究
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班级: 机卓1101班
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华中科技大学
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摘要
电刺激是指将特定频率和形状的电流或电压施加于生物体兴奋组织后,所产生的各种生理反应。由于适度控制电刺激的强度,即使重复多次也不会造成组织损坏。因此,已广泛应用于医疗和生理学的研究中。
神经电刺激对于周围神经损伤是一种行之有效的治疗方法,目前广泛运用于各种原因造成的周围神经损伤及疾病的治疗中,是现代康复医学不可或缺的一种治疗手段。
对于程度较轻的神经损伤,神经电刺激与其他康复治疗手段相结合,对于缓解因神经受损而产生的麻木,乏力等症状有着很好的疗效。而针对臂丛神经损伤等严重的神经损伤,神经电刺激治疗则在患者的术后康复中也有着显著的作用。研究表明,术后针对性的给予神经电刺激可以促进神
经再生,加快神经生长,从而缩短恢复时间,使患者更好的恢复。神经电刺激已经广泛应用于疼痛、帕金森病、颅脑外伤昏迷促醒、癫痫及低氧后植物状态等。
由于个人专业知识有限,所以只是结合当前现有的研究成果做出一些综述性的整理,以期对神经电刺激有一个大概的了解。
关键词: 神经性电刺激神经损伤医疗
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1 概述
周围神经分为脑神经、脊神经和自主神经,遍及全身皮肤,黏膜、肌肉等。周围神经可因为切割、牵拉、挤压等而损伤,使其功能减退或丧失,称为周围神经损伤。周围神经损伤后应用外科修复技术、药物治疗可以在一定程度上促进神经再生,但是神经纤维再生速度和数量仍很不理想,肌肉也会发生萎缩。正是由于药物的局限性,神经肌肉电刺激的利用取得了不断的发展。Asensio-Pinilla等研究表明,神经损伤后早期给予神经肌肉电刺激,配合肌肉的运动练****能够加快神经轴突生长,促进运动功能恢复。研究表明,电刺激虽然不能加速受损神经感觉的恢复,但是可以减缓神经性疼痛,促进运动神经的再生。用双相电流刺激受损神经,不但可以促进神经纤维运动功能的恢复,还可以激发感觉神经元内在的再生能力。
由脊髓损伤和脑损伤造成的肢体截瘫,在医学上还没有治疗方法。但是,经过30多年的研究表明,功能性电刺激(Functional Electrical stimulation, FES)
能成功地恢复截瘫患者的部分运动功能,是康复工程中很有应用前景的新技术。自60年代美国医生Liberson首先利用电刺激排神经(peroneal nerve),成功地矫正了偏瘫患者的足下垂的步态后川,FES在运动和感觉功能的恢复方面获得了成功的应用。最近,美国和以色列先后推出了能恢复截瘫患者部分上肢和下肢运动功能的FES系统,使四肢瘫痪者可以重新用手抓物、握笔、写字、吃饭、饮水、梳头,使下肢截瘫患者能重新站立、行走。
2神经电刺激的原理
阈值的强度—时间关系
FES的工作原理是神经细胞的电兴奋性。神经细胞的电兴奋性源于细胞膜对钠离子,钾离子和***离子有不同的通透性,细胞的静息电位由平衡时细胞内外的离子浓度决定。受到电刺激后,细胞膜对离子的通透性发生变化,导致膜电位产生突变,形成一个动作电位(action potential)。神经细胞的电活动可以利用
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Hodgkin-Huxley模型或者Frankenhaeuser-Huxley模型进行量化分析。
神经细胞对电刺激的响应是由其跨膜电位的阈值所决定。阈值之下的电刺激只能使细胞膜产生去极化作用。当刺激强度达到阈值时, 便会激发一个双向传播的动作电位。在阈值之下刺激时, 细胞膜可被视为一个如图1 所示的无源的电阻电容等效电路, 刺激电流是等效电路的外加电源。
如果以τeVT代表细胞膜电位的阈值,那么达到阈值电位所需要的刺激电流
强度为:
IT=VT/Rm (1) -1/τm1-e
其中τm是细胞膜的时间常数τm=RmCm,Rm和Cm分别是细胞膜的跨膜电阻和电容。方程(1) 代表了刺激电流强度与作用时间的关系, 称为阈值的强度—时间关系, 是FES的一个基本关系。
如图2 所示, 电刺激的特点是刺激时间越短, 达到阈值所需的电流强度就越大;反之,所需电流强度越小。但是,电流强度不能低于一个最小值,称为基强度(rheobase)。基强度IO 可以从方程(1)中令t→∞求得, 于是有,It→IO=VT/Rm,因此有,
IT1 (2) =IO1-e-1/m
刺激的电荷射入量QT也可被求得:
QT=ITt=IOt (3)
-1/τm1-e
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如图2所示, 刺激时间越短,