基于神经元模型的电刺激仿真研究

论文摘要

电刺激疗法经过数个世纪的发展,已经成为最重要的治疗手段之一。这种治疗方法操作简单、治疗范围广泛,为众多患者远离病痛,恢复健康生活,做出了很大的贡献。现在众多基于电刺激疗法的刺激装置面世,这些装置有的基于传统的中医针灸,有的基于近年来新兴的神经中枢保护学说——小脑顶核电刺激,但是无论是哪种电刺激设备,都需要根据其治疗方式的不同设置相应的刺激方式。生物体是个复杂的非线性系统,基于神经生物学的非线性研究正在逐步成为神经系统研究的新方向,这些研究不仅能够准确的反映机体在病态下的混沌表达,同时,能敏感的感知外界的微小刺激,并作出相应的表达。本论文分析了神经元受到外界刺激时动作电位的产生机制,并对不同神经元动作电位所表现出的非线性特点进行分析,设计了一套能够辅助电刺激优化选择的系统。这套系统包括神经元动作仿真系统、神经元动作电位传导仿真系统、神经元自激振荡仿真系统。这套系统能准确的反应神经元的生物电特性,可以根据实验的需求施加不同的刺激波形,不同刺激参数,通过对刺激以后动作电位的非线性分析,观察不同刺激组合对动作电位发放的影响,这套模型为仪器设计中电刺激的选择提供较好的理论依据。同时,对于近年来提出的混沌控制治疗方式进行探讨,尝试验证了这种治疗方式的合理性,这一研究为进一步的混沌控制理论研究提出了较好的指导。另外,对于现在使用较广的调制波电刺激,进行了初步的频谱分析,揭示调制波与普通波形的区别及对机体的不同影响,这些结论将有助于中频调制电刺激的进一步发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 电刺激概述
• 1.2 电刺激分类
• 1.2.1 低频电刺激
• 1.2.2 中频电刺激
• 1.2.3 高频电刺激
• 1.3 课题的研究目的和论文规划
• 2 神经生物学基础
• 2.1 神经元基本概念
• 2.2 细胞的生物电学特性
• 2.3 神经元细胞的静息电位
• 2.4 神经元细胞的动作电位
• 2+离子作用'>2.5 Ca²⁺离子作用
• 2.6 神经信号的加工和传递
• 2.7 动作电位序列的模式和非线性分析
• 2.7.1 动作电位的频率编码
• 2.7.2 动作电位的时间模式和时间编码
• 2.7.3 不规则放电序列的非线性分析
• 2.8 本章小结
• 3 神经元模型理论及推导
• 3.1 神经元的 Hodgkin-Huxley 模型
• 3.1.1 Hodgkin-Huxley 模型
• 3.1.2 H-H 模型的推导
• 3.1.3 Hodgkin-Huxley 模型的求解
• 3.2 神经元传导模型
• 3.2.1 有髓神经元结构
• 3.2.2 电缆方程
• 3.3 Chay 模型
• 3.3.1 Chay 模型的表达式
• 3.3.2 Chay 模型的分岔特性
• 3.4 本章小结
• 4 神经系统的建模实现
• 4.1 神经系统的建模和仿真的意义
• 4.2 MATLAB 及相关软件介绍
• 4.3 模型的仿真实现
• 4.3.1 神经元动作电位仿真系统
• 4.3.2 神经纤维动作电位传导仿真系统软件设计
• 4.4 神经元自激振荡系统软件设计
• 4.5 本章小结
• 5 神经纤维电刺激分析
• 5.1 直流刺激下动作电位仿真分析
• 5.2 正弦波刺激下动作电位仿真分析
• 5.3 脉冲波刺激下动作电位仿真分析
• 5.3.1 单脉冲刺激分析
• 5.3.2 双脉冲刺激分析
• 5.4 波形的极性分析
• 5.5 本章小结
• 6 基于 Chay 模型的分析
• 6.1 外部刺激对于模型的影响
• 6.1.1 恒定的直流电刺激
• 6.1.2 随机噪声的叠加
• 6.2 内部刺激对于模型的影响
• 6.3 神经疾病与混沌控制
• 6.4 本章小结
• 7 中频电刺激的初步研究
• 7.1 波形初步分析
• 7.2 调制波
• 7.3 调制波的比较
• 7.4 调幅波的分析
• 7.5 本章小结
• 8 总结和展望
• 8.1 总结
• 8.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录