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摘要：脊髓损伤是指由于外界直接或间接因素导致的对脊髓任意部位的损伤或者在脊髓椎管内脊神经的损伤，在损害的相应节段出现各种运动、感觉和括约肌功能障碍，肌张力异常及病理反射等相应病变。脊髓损伤后的行走功能恢复是众多脊髓损伤患者的美好愿望，但目前尚无有效疗法能够恢复脊髓损伤导致的运动及感觉缺陷，许多脊髓损伤患者只能在轮椅上度过下半辈子，这给病人及家庭都带来灾难性的后果。近年来，部分临床探讨证实对于与行走功能相关的腰骶段脊髓神经元回路依然完好的脊髓损伤(Spinal Cord Injury, SCI)患者，利用硬膜外脊髓电刺激（EpiduralSpinal Cord Stimulation, ESCS）和减重疗法（Partial Weight Bearing Therapy, PWBT）相结合的策略能够推动患者行走功能的改善。但这些临床探讨仅对少数SCI患者进行，该疗法中合理的刺激参数(频率、脉宽、强度、位置等)、疗法的有效性及作用机理还需要通过长期的动物实验进行探讨。而目前用于此探讨的动物实验用植入式硬膜外脊髓刺激装置尚未见报道，亟待开发。脑―机接口(Brain―Computer Interface，BCI)可以建立起人脑与计算机或其他电子设备间的直接的交流和制约通道，能帮助患者恢复一定的自主生活能力。而利用头皮脑电(electroencephalograph, EEG)信号的BCI，由于具有无创性及信号易提取，引起了人们广泛的探讨。以EEG信号中可以提取出运动意图，此运动意图可以转换成制约命令，制约ESCS的开始或停止，以及制约ESCS的刺激方式。通过将BCI与ESCS相结合，脊髓损伤后瘫痪患者便有可能通过运动想象产生不同的下肢动作，如站立或行走等，这给脊髓损伤患者带来了新的希望。这种全新的BCI制约ESCS的运功神经重建系统是否可行，很大程度上取决于EEG信号的特点提取与分类算法。本论文不仅对基于EEG的BCI的特点提取与分类策略进行了探讨，而且研制了可用于动物实验的植入式ESCS系统，并建立了大鼠ESCS的有限元模型。最后采取研制的植入式ESCS装置进行了动物实验探讨，得出了不同刺激参数对后肢运动功能的作用。主要的工作及结果包括以下方面：(1)探讨了基于EEG信号的BCI的特点提取与分类策略。采取离散小波变换提取μ节律与β节律附近频带的特点信号，并利用支持向量机(SVM)策略进行分类；此外，还运用了模糊支持向量机(FSVM)策略对EEG信号进行分类，均实现了较高的分类准确率与互信息率。(2)研制了可用于动物实验的植入式ESCS系统，该系统可用于ESCS的行走功能作用探讨，由植入式脉冲发生器、刺激电极、磁铁、外部制约器、上位机组成。采取固形胶及硅胶的封装策略，使刺激器具有生物兼容性，并能较好抵抗体液的侵蚀。针对大鼠脊髓解剖学结构，设计了具有3触点的镀金柔性电路板电极。封装后的植入式脉冲发生器体积为33mm×24mm×8mm,质量约12.6g，满足了外科植入要求。植入体采取了基于2.4GHz载波频率的体内外无线通讯案例，有效通讯距离可达1米。此外，还结合干簧管，设计了植入体的低功耗工作案例，刺激器平时工作在休眠状态，休眠电流仅40μA。利用单个普通3V纽扣电池时，刺激器能在体内工作2周左右。(3)建立了大鼠脊髓电刺激的场—神经元模型，探讨了脉宽对后根、前根、背柱神经纤维激活效果的影响，并讨论了脊髓电刺激作用下募集的神经元结构。该模型可用于指导大鼠脊髓电刺激实验。(4)利用研制的植入式ESCS刺激器对大鼠进行脊髓电刺激的实验，探讨了不同刺激参数对大鼠后肢运动功能的作用。首先，大鼠脊髓腰骶段为有效刺激节段。然后，对于运动阈下的刺激，大鼠胫骨前肌没有显著EMG响应；而当实施运动阈上刺激时，胫骨前肌的平均EMG峰峰值随着刺激强度增加而增强。随着刺激频率的增加，胫骨前肌的平均EMG峰峰值出现了下降走势。最后，当刺激脉宽增加时，诱发平均EMG峰峰值逐渐上升。关键词：植入式神经检测体论文脑―机接口论文硬膜外脊髓电刺激论文脊髓电刺激仿真论文植入式脉冲发生器论文肌电图论文脑电图论文
摘要4-6
Abstract6-8
英文缩写全称对照表8-11
1 绪论11-37
1.1 引言11-14
1.2 脊髓的解剖学结构与中枢方式产生器14-22
1.3 植入式神经刺激器的探讨概况22-26
1.4 脊髓损伤后行走功能恢复的训练策略26-33
1.5 脑―机接口用于运动功能重建33-34
1.6 本论文的探讨任务及论文结构34-37
2 EEG 信号的特点提取与分类37-49
2.1 前言37
2.2 实验介绍与样本选取37-38
2.3 离散小波变换用于 EEG 特点提取38-40
2.4 基于支持向量机的分类策略40-46
2.5 分类结果与讨论46-48
2.6 本章小结48-49
3 动物实验用植入式 ESCS 刺激器49-63
3.1 引言49-51
3.2 植入式脉冲发生器51-58
3.3 外部制约器58-59
3.4 刺激电极与导线59-60
3.5 封装与测试60-62
3.6 本章小结62-63
4 大鼠硬膜外脊髓电刺激的仿真探讨63-79
4.1 引言63-64
4.2 材料与策略64-73
4.3 结果73-76
4.4 讨论76-78
4.5 本章小结78-79
5 硬膜外脊髓电刺激器的动物实验79-89
5.1 引言79
5.2 实验器材79-80
5.3 实验对象与手术历程80-83
5.4 ESCS 刺激参数对后肢 EMG 的影响83-88
5.5 本章小结88-89
6 全文总结89-92
6.1 论文取得的探讨成果89-90
6.2 下一步探讨工作的展望90-92
致谢92-93