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脊髓損傷是指由于外界直接或間接因素導(dǎo)致的對(duì)脊髓任意部位的損傷或者在脊髓椎管內(nèi)脊神經(jīng)的損傷，在損害的相應(yīng)節(jié)段出現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)和括約肌功能障礙，肌張力異常及病理反射等相應(yīng)病變。脊髓損傷后的行走功能恢復(fù)是眾多脊髓損傷患者的美好愿望，但目前尚無(wú)有效療法能夠恢復(fù)脊髓損傷導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)及感覺(jué)缺陷，許多脊髓損傷患者只能在輪椅上度過(guò)下半輩子，這給病人及家庭都帶來(lái)災(zāi)難性的后果。 近年來(lái)，部分臨床研究證實(shí)對(duì)于與行走功能相關(guān)的腰骶段脊髓神經(jīng)元回路依然完好的脊髓損傷(Spinal Cord Injury, SCI)患者，使用硬膜外脊髓電刺激（EpiduralSpinal Cord Stimulation, ESCS）和減重療法（Partial Weight Bearing Therapy, PWBT）相結(jié)合的方法能夠促進(jìn)患者行走功能的改善。但這些臨床研究?jī)H對(duì)少數(shù)SCI患者進(jìn)行，該療法中合理的刺激參數(shù)(頻率、脈寬、強(qiáng)度、位置等)、療法的有效性及作用機(jī)理還需要通過(guò)長(zhǎng)期的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。而目前用于此研究的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用植入式硬膜外脊髓刺激裝置尚未見(jiàn)報(bào)道，亟待開(kāi)發(fā)。 腦―機(jī)接口(Brain―Computer Interface，BCI)可以建立起人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備間的直接的交流和控制通道，能幫助患者恢復(fù)一定的自主生活能力。而使用頭皮腦電(electroencephalograph, EEG)信號(hào)的BCI，由于具有無(wú)創(chuàng)性及信號(hào)易提取，引起了人們廣泛的研究。從EEG信號(hào)中可以提取出運(yùn)動(dòng)意圖，此運(yùn)動(dòng)意圖可以轉(zhuǎn)換成控制命令，控制ESCS的開(kāi)始或停止，以及控制ESCS的刺激模式。通過(guò)將BCI與ESCS相結(jié)合，脊髓損傷后癱瘓患者便有可能通過(guò)運(yùn)動(dòng)想象產(chǎn)生不同的下肢動(dòng)作，如站立或行走等，這給脊髓損傷患者帶來(lái)了新的希望。這種全新的BCI控制ESCS的運(yùn)功神經(jīng)重建系統(tǒng)是否可行，很大程度上取決于EEG信號(hào)的特征提取與分類算法。 本論文不僅對(duì)基于EEG的BCI的特征提取與分類方法進(jìn)行了研究，而且研制了可用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的植入式ESCS系統(tǒng)，并建立了大鼠ESCS的有限元模型。最后采用研制的植入式ESCS裝置進(jìn)行了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，得出了不同刺激參數(shù)對(duì)后肢運(yùn)動(dòng)功能的作用。主要的工作及結(jié)果包括以下方面： (1)研究了基于EEG信號(hào)的BCI的特征提取與分類方法。采用離散小波變換提取μ節(jié)律與β節(jié)律附近頻帶的特征信號(hào)，并使用支持向量機(jī)(SVM)方法進(jìn)行分類；此外，還應(yīng)用了模糊支持向量機(jī)(FSVM)方法對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行分類，均實(shí)現(xiàn)了較高的分類準(zhǔn)確率與互信息率。 (2)研制了可用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的植入式ESCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于ESCS的行走功能作用研究，由植入式脈沖發(fā)生器、刺激電極、磁鐵、外部控制器、上位機(jī)組成。采用固形膠及硅膠的封裝方法，使刺激器具有生物兼容性，并能較好抵抗體液的侵蝕。針對(duì)大鼠脊髓解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了具有3觸點(diǎn)的鍍金柔性電路板電極。封裝后的植入式脈沖發(fā)生器體積為33mm×24mm×8mm,質(zhì)量約12.6g，滿足了外科植入要求。植入體采用了基于2.4GHz載波頻率的體內(nèi)外無(wú)線通訊方案，有效通訊距離可達(dá)1米。此外，還結(jié)合干簧管，設(shè)計(jì)了植入體的低功耗工作方案，刺激器平時(shí)工作在休眠狀態(tài)，休眠電流僅40μA。使用單個(gè)普通3V紐扣電池時(shí)，刺激器能在體內(nèi)工作2周左右。 (3)建立了大鼠脊髓電刺激的場(chǎng)—神經(jīng)元模型，研究了脈寬對(duì)后根、前根、背柱神經(jīng)纖維激活效果的影響，并討論了脊髓電刺激作用下募集的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)。該模型可用于指導(dǎo)大鼠脊髓電刺激實(shí)驗(yàn)。 (4)使用研制的植入式ESCS刺激器對(duì)大鼠進(jìn)行脊髓電刺激的實(shí)驗(yàn)，研究了不同刺激參數(shù)對(duì)大鼠后肢運(yùn)動(dòng)功能的作用。首先，大鼠脊髓腰骶段為有效刺激節(jié)段。然后，對(duì)于運(yùn)動(dòng)閾下的刺激，大鼠脛骨前肌沒(méi)有明顯EMG響應(yīng)；而當(dāng)實(shí)施運(yùn)動(dòng)閾上刺激時(shí)，脛骨前肌的平均EMG峰峰值隨著刺激強(qiáng)度增加而增強(qiáng)。隨著刺激頻率的增加，脛骨前肌的平均EMG峰峰值出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。最后，當(dāng)刺激脈寬增加時(shí)，誘發(fā)平均EMG峰峰值逐漸上升。
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