植入式肿瘤电场治疗胶质母细胞瘤的建模与仿真研究

目的 研究植入式肿瘤电场治疗胶质母细胞瘤的可行性。方法 通过COMSOL有限元仿真,探索相位差、触点设置、电极数量和电压等参数对电场的分布的影响,逐步优化参数,探索电场覆盖范围的影响因素。结果 合理地设置相位差在相同电压下可以扩大电场覆盖的范围,并提出了一种双层环绕递增相差设置方法。以5根电极5 V电压为例,对比了不同数量的触点激活的电场分布范围,阐明了双层触点激活的优势及触点选择的方式。仿真了使1 V/cm的有效治疗电场覆盖不同大小残腔切除边缘所需的最少电极数量和最小整数电压,3根电极6 V的电压即可覆盖直径2 cm残腔的切除边缘,而直径5 cm的残腔需要5根电极和10 V的电压。针对直径3.5 cm的残腔探究了电极数量与电压的相互替代关系。结论 脑肿瘤切除术后通过植入式电极可以将中频交变电场聚焦在切除边缘附近,优化参数可以覆盖残腔表面,场强超过1 V/cm,表明植入式肿瘤电场治疗是一种潜在可行的治疗方案。该治疗方案的安全性、器械小型化和供能则仍需进一步的研究。

专利视角下植入式脑机接口电极技术发展趋势分析

植入式脑机接口电极对神经疾病的诊断、预警和治疗以及脑科学研究具有重要意义。从专利视角回顾和研判了植入式电极的全球技术发展趋势,研究了生物相容性、信号质量提升的最新技术解决思路;并呼吁我国政府加大在植入式电极领域的研发投入力度,以及加强对先进制造工艺和材料技术的关注,加快推动植入式电极成熟落地应用和完善专利布局。

植入式柔性神经电极在活体脑电信号检测中的研究进展

植入式神经电极是记录神经电生理信号的一种重要工具,具有单细胞的空间分辨率和亚毫秒级的时间分辨率,在神经科学和神经修复领域具有重要的应用。微纳米加工技术的发展,为植入式神经电极的构建提供了更多的解决方案。基于微纳米加工的植入式刚性电极,由于存在与大脑组织的力学性能不匹配的问题,容易造成大脑组织的免疫反应,影响神经电信号的长期稳定测量。而近年出现的新型植入式柔性神经电极,可与脑组织形成兼容性的界面,引起的免疫反应小,有利于神经电信号的长期稳定测量。此外,植入式柔性神经电极的微型化、高密度和多功能集成也是脑研究新技术的研究热点。本文主要对近年用于活体脑电信号检测的植入式柔性神经电极的相关研究进展进行了评述,包括柔性神经电极结构、电极组织界面、植入方法、微型化方法和集成方法等。

植入式多通道神经微电极的发展

人类的大脑约由800亿神经细胞构成,这些神经元之间的连接将大脑组成了一个超复杂的神经网络,要研究大脑的功能机制,破译其神经网络的信息编码原理,一个重要的方法是在大脑神经元网络中,同时观察、记录尽可能多的单个神经元活动信号。植入式多通道神经微电极作为一种可实时记录多个神经元峰电位信号的器件,在神经信号的时间分辨率和设备的便捷性方面有着其它神经成像技术不可替代的优点。在不影响大脑功能甚至动物行为的前提下,为了在大脑中植入通道数更多的电极,需要在植入式多通道电极的材料、结构、集成方式和植入及封装方法等方面不断地进行改进创新和优化。本文简要回顾了多通道微电极技术的发展历史,重点介绍了采用微加工技术制备植入式多通道微电极的发展历程和研究现状,对未来的发展趋势进行了展望。

植入式神经微电极

神经电极是实现人体和外部机器间信息融合的关键界面器件,是脑科学、生物电子医疗等前沿领域的技术核心。早期出现的神经电极以金属材料和半导体材料为主,这两类材料具备优越的导电性能,但其硬度远高于生物组织(相差四个数量级以上),生物兼容性差,易引起生物组织的排异反应,导致电极失效,并且在植入和使用过程中也容易对生物组织造成损害。近年来,人们尝试利用导电聚合物、水凝胶以及碳纳米管等柔性材料替代早期的金属、半导体等刚性材料,实现柔性生物电极的制备,以解决电极与生物组织间模量不匹配的问题。从而开发出低阻抗的电极-组织界面,最小化电极植入过程中对生物组织的创伤,保证植入电极长期稳定性的同时提高了其导电性,这对于精准的神经电刺激以及高质量记录神经电生理信号来说都至关重要。目前研究的神经电极多以柔性植入式为主,它将新兴材料、微加工技术与神经工程相融合,显示出优于其他神经电极的特性,在疼痛抑制、脑机接口、人体假肢等方面获得多项成果,在临床应用方面占有重要地位。本文归纳了植入式神经微电极的研究进展,主要从刚性神经微电极、神经电极柔性化、可拉伸柔性神经电极几个方面进行介绍。分析了刚性植入式神经电极存在的问题,并引出基于新型材料的柔性植入式神经电极,提出优化方案的同时对其前景进行展望,以期为制备性能优异且稳定的植入式神经电极提供参考。

一种全集成多通道植入式脑机接口电刺激系统设计

目的设计一种全集成多通道植入式脑机接口电刺激系统。方法上位机人机界面由用户进行参数设置,并以自建协议进行数据打包,通过蓝牙模块传递至现场可编程门阵列(FPGA)芯片端,参数解析完成后对刺激芯片进行控制,从而输出用户设置指标的电流刺激。为验证系统可行性分别测试单通道输出波形准确性、多通道输出能力以及参数可调范围。结果设计了一种全集成多通道植入式脑机接口电刺激系统,实现了16通道分时输出差分刺激电流,输出刺激电流为双相等宽脉冲,脉冲幅度范围4~1000μA,脉冲单相宽度范围10~1000μs,周期时长1~1000 ms,电流参数可精确调控。结论设计了一种全集成多通道植入式脑机接口电刺激系统。

视网膜柔性MEMS微电极的体外电化学稳定性评估

采用三电极测试法,研究了视网膜柔性MEMS微电极的体外电化学稳定性。结果表明,当体外测试的磷酸缓冲盐溶液的温度在人体生理性体温范围(35oC^40oC)内变化时,电极电化学阻抗没有发生显著变化。此外,在先负后正双相微电流脉冲(幅值为50μA)刺激下,电极附近区域生理盐水的pH值发生变化,且pH的变化值随着刺激电流频率的增大而减小:当频率从1Hz增加到100Hz时,由微电流刺激引发pH的变化值从0.03减小为0.005;而对电极施加单相电流刺激时(频率为150Hz,幅值为50μA),体外生理盐水的pH值随时间呈线性变化:正相刺激后pH值增加了0.15,负相刺激后pH值减小了0.15。

植入式神经微电极的设计及神经电信号提取的实验研究

目的利用神经可塑性原理,应用微制造加工技术设计并制作植入式神经微电极,以探索神经电信号提取与应用的可行性。方法以硅片为电极底板,以铂铱合金丝为导线,用微制造加工技术在硅片上开孔,制作成植入式神经微电极。通过显微外科技术将电极植入大鼠坐骨神经内,经放大电路放大后,用示波器观察所提取之电信号。结果电极实物为一1 mm×1 mm的八角形物体,电极一侧为通孔,内径约300 mm,通孔周围镀有铂金,两侧各有1根导线。植入试验提示,植入后3个月,示波器观察到具有神经电信号特征的静息电位、自发电活动及动作电位。结论自行设计与制作的植入式神经微电极可提取神经电信号,该电极在实用性上明显优于目前常用的纵行神经束内电极,为神经假肢的研究提供了电极基础。

羟基化PEDOT增强植入式神经电极与基底界面粘附性能研究

使用胶带粘附测试和超声测试研究了多种功能化PEDOT在干态和湿态条件下的粘附性能,结果表明,羟基化PEDOT的界面粘附性能明显优于其它材料,可作为粘附界面层以增强其他功能化PEDOT与电极基底结合的能力。用羟基化PEDOT做界面助粘层组装的聚3,4-乙烯二氧噻吩的界面粘附性能及电刺激稳定性能都得到了显著增强。

高灵敏和高特异性生物嗅觉传感系统研究

利用微电极植入技术,提出了一种新型的生物嗅觉传感系统,将多通道植入式微电极包埋于大鼠嗅球中,提取出嗅球神经元的气味响应信息。通过分析神经元响应活动从而进行气味检测与区分,发现该系统能够长期稳定地用于气味检测,且灵敏度达到10?10 mol/L。在单分子气味或自然气味检测中,该系统都具有很高的特异性。因此,该系统在实际气味检测(如肺癌呼出气体标志物检测、食品新鲜度检测、爆炸物搜索等)领域具有广泛的应用前景。

基于大脑神经元放电的脑-机接口技术

基于大脑运动皮层神经元放电的脑-机接口通过记录大脑运动皮层神经元的放电信号控制瘫痪肢体或假肢运动,其软硬件核心为神经元群体解码和神经元放电活动的检测。解码方法分为推理算法和分类器方法,检测方法通过在大脑运动皮层区植入长效电极记录单个或群体神经元的放电活动。分析表明,脑-机接口技术应在更多脑区域上植入长效电极达到更好控制设备的目的,各类解码算法应通过联合并加入反馈信号提高对神经元信号的解码效果。

大鼠视觉诱发电位记录方法比较研究

目的:比较不同F-VEP检测电极设置方法的差异,为大鼠F-VEP检测探索更优的电极放置方法。方法:SD大鼠18只,随机均分三组,分别予以植入式颅骨电极、传统皮下式针状电极、改良皮下式针状电极记录。检测指标为F-VEP的N1波、P1波的潜伏期和N1-P1波振幅,对结果进行统计学分析。结果:植入式颅骨电极记录组P1波潜伏期较传统皮下式针状电极记录组提前(P = 0.002),改良皮下式针状电极记录组P1波潜伏期较传统皮下式针状电极记录组提前(P = 0.025),而植入式颅骨电极组与改良皮下式针状电极组P1波潜伏期无差异(P >0.05);植入式颅骨电极记录组N1-P1振幅较皮下式针状电极组均更大(P = 0.028/P = 0.011),两组皮下式针状电极组振幅无差异(P >0.05);安全性方面仅植入式颅骨电极组出现不良事件,皮下针状电极组无一例出现。结论:植入式颅骨电极其敏感性、重复性较优,传统皮下式针状电极安全性较优,而改良皮下式针状电极保留了安全性的优势,同时增强了敏感性和重复性,是对F-VEP检测的有效改良。