论文总字数：24470字

摘 要

神经动作电位的低频阻断技术在临床诊断和治疗中的应用十分广泛，是实现麻醉、止痛、解除痉挛的有效方法之一，因而获得了广泛的关注。

本文以单一神经元双电极激励-阻断为研究对象。利用COMSOL软件物理场耦合分析功能，以神经元电生理特性霍金-赫胥黎模型为参考建立仿真模型进行阻断波形优化研究。通过分别考察在去极化阻断（阴极阻断）和超极化阻断（阳极阻断）情况下的最优阻断波形的阻断阈值、阻断准备时间、阻断激励所消耗的能量等多种因素，来确定不同要求下的最优阻断激励波形。根据以上数值仿真结果，获得最优的阻断波形，为实现低功耗、高效率的低频阻断提供理论依据。

关键词：电阻断，低频，薄膜近似，波形优化, 有限元法

Simulation and Optimization of Nerve Conduction Block Induced by Different Low-Frequency Electrical Waveforms

Abstract

The low-frequency nerve conduction block technique is wildly used in clinical diagnosis and therapy, which is an effective method to achieve anesthesia, analgesic, and relieve cramp. For these reasons, this technique receives much attention.

In this paper, single nerve bipolar-electrode stimulate-block was studied, and simulation model was founded based on the Hodgkin-Huxley model for neural communication. Using the coupled field analysis of simulation package COMSOL, the optimization of different block waveforms was achieved. By separately analyzed blocking threshold, preparation time, and energy used under depolarization and hyperpolarization block, the optimized/aimed waveforms was acquired. Based on the analysis of the simulation results, the optimal waveforms can be used as the theoretical references to achieve low consumption, high efficiency low-frequency nerve conduction block.

Key Words: electrical conduction block, low-frequency, thin-film approximation, waveform optimization, finite element method

目录

摘 要 I

Abstract I

第1章 绪论 1

1.1 与神经系统相关的疾病 1

1.1.1 神经系统疾病的发病现状 1

1.1.2 神经系统疾病的治疗方法 2

1.2 动作电位电阻断的研究进展 3

1.2.1 电阻断研究的进展情况 3

1.2.2 对当前电阻断相关研究的总结 5

第2章 电生理基础 7

2.1 神经电信号的产生和传播 7

2.1.1 神经元的结构 7

2.1.2 静息电位 9

2.1.3 动作电位的产生和传播 10

2.2 神经元的电路等效模型 11

第3章 有限元分析基础 14

3.1 变分问题 14

3.2 有关变分问题解的讨论 14

3.3 剖分与插值 15

第4章 参数设定与仿真结果 17

4.1 参数设定 17

4.2 仿真结果 18

第5章 仿真结果分析与结论 34

5.1 实验结果分析 34

5.2 结论 35

致谢 36

参考文献 37

第1章 绪论

动作电位的电阻断是实现动作电位阻断的一种重要的方式，而其中低频阻断技术在临床诊断和治疗之中都有广泛的应用前景。本论文较全面地阐述了低频阻断仿真研究的模型建立和波形优化问题。通过对比不同波形的阻断仿真结果，获得不同波形阻断信号的阻断阈值、阻断时长、阻断激励等特性，根据以上数值仿真结果，获得最优阻断波形，为实现低功耗、高效率的低频阻断提供理论依据。

本章作为绪论主要介绍相关的背景。分为2个小节，依次介绍常见神经损伤疾病和危害以及动作电位阻断相关技术的研究进展，为之后各章的讨论奠定基础。

与神经系统相关的疾病

与神经系统相关的疾病是多种多样的，有的疾病是由神经细胞病变引起的，有的则是由于外伤导致神经系统损坏造成的。这些疾病的病因根植于人体复杂的神经网络之中，单个神经细胞的病变很有可能会影响到与之相关的神经细胞的功能。由于原因复杂，细胞病变的难以恢复性原因，神经疾病往往比较难以治疗，因此是目前人类面临的一个很重要的问题。

神经系统疾病的发病现状

神经系统具有很复杂的结构，与神经系统有关的疾病称为神经系统疾病，有时也简称神经病。下面举出一些具有代表性的神经系统疾病。

帕金森病。帕金森病是一种中枢神经系统的退化失调的慢性疾病，该疾病的致病原因目前还在探讨之中。根据相关学者们的分析和推测，该疾病的发病原因是由于大脑内基底核以及黑质细胞的退化，进而导致神经引导物质多巴胺的合成不足造成的。

帕金森病的发病症状主要表现为两种，运动障碍症状和非运动障碍症状。运动障碍主要表现为静止性颤抖、僵直、运动迟缓、无法保持姿势和口吃等，而非运动障碍的症状包括情绪低落、焦虑、认知障碍等。

在高发人群方面，帕金森病多见与老年人，我国65岁以上老年人帕金森病的发病率大概在1.7%的水平，可见帕金森病的患者并不在少数。

脊髓损伤。造成脊髓损伤的主要原因是对脊柱施加破坏性的外力从而导致脊椎损坏，另外脊髓肿瘤等内在的原因也能引起脊髓损伤。这种疾病的一个特征是随着经济发展水平的不断提高其发病率呈上升趋势。由于脊髓损伤常常能造成患者严重的运动功能障碍，因此其能给患者带来严重的身体和心理伤害，因此针对脊髓损伤的研究室目前医学界的一个很重要的课题。

根据日本有关研究机构的针对脊髓损伤的调查表明，日本全国有大约10万脊髓损伤的患者，每年新增患者数目在5000人左右。而北京市在2002年针对脊髓损伤的调查结果表明北京市脊髓损伤的整体发病率在60人/百万人。

与帕金森病不同的是，早成脊髓损伤的原因主要是交通事故等外伤，因此人们可以通过严格的交通执法与自我道德约束来减少脊髓损伤的发病率。而与帕金森病相同的是，脊髓损伤由于往往伤及脊髓里的神经中枢，因此其治疗同样极具挑战性。

神经系统疾病的治疗方法

由于神经系统疾病的发病原因多样且复杂，因此很难准确地概括出统一的治疗方法，但是从目前的医学发展水平来看，采用药物进行治疗还是其中的主要途径。

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