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脊髓損傷是指由于外界直接或間接因素導致的對脊髓任意部位的損傷或者在脊髓椎管內脊神經的損傷，在損害的相應節(jié)段出現各種運動、感覺和括約肌功能障礙，肌張力異常及病理反射等相應病變。脊髓損傷后的行走功能恢復是眾多脊髓損傷患者的美好愿望，但目前尚無有效療法能夠恢復脊髓損傷導致的運動及感覺缺陷，許多脊髓損傷患者只能在輪椅上度過下半輩子，這給病人及家庭都帶來災難性的后果。 近年來，部分臨床研究證實對于與行走功能相關的腰骶段脊髓神經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）相結合的方法能夠促進患者行走功能的改善。但這些臨床研究僅對少數SCI患者進行，該療法中合理的刺激參數(頻率、脈寬、強度、位置等)、療法的有效性及作用機理還需要通過長期的動物實驗進行研究。而目前用于此研究的動物實驗用植入式硬膜外脊髓刺激裝置尚未見報道，亟待開發(fā)。 腦―機接口(Brain―Computer Interface，BCI)可以建立起人腦與計算機或其他電子設備間的直接的交流和控制通道，能幫助患者恢復一定的自主生活能力。而使用頭皮腦電(electroencephalograph, EEG)信號的BCI，由于具有無創(chuàng)性及信號易提取，引起了人們廣泛的研究。從EEG信號中可以提取出運動意圖，此運動意圖可以轉換成控制命令，控制ESCS的開始或停止，以及控制ESCS的刺激模式。通過將BCI與ESCS相結合，脊髓損傷后癱瘓患者便有可能通過運動想象產生不同的下肢動作，如站立或行走等，這給脊髓損傷患者帶來了新的希望。這種全新的BCI控制ESCS的運功神經重建系統(tǒng)是否可行，很大程度上取決于EEG信號的特征提取與分類算法。 本論文不僅對基于EEG的BCI的特征提取與分類方法進行了研究，而且研制了可用于動物實驗的植入式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裝置進行了動物實驗研究，得出了不同刺激參數對后肢運動功能的作用。主要的工作及結果包括以下方面： (1)研究了基于EEG信號的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，并使用支持向量機(SVM)方法進行分類；此外，還應用了模糊支持向量機(FSVM)方法對EEG信號進行分類，均實現了較高的分類準確率與互信息率。 (2)研制了可用于動物實驗的植入式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。針對大鼠脊髓解剖學結構，設計了具有3觸點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載波頻率的體內外無線通訊方案，有效通訊距離可達1米。此外，還結合干簧管，設計了植入體的低功耗工作方案，刺激器平時工作在休眠狀態(tài)，休眠電流僅40μA。使用單個普通3V紐扣電池時，刺激器能在體內工作2周左右。 (3)建立了大鼠脊髓電刺激的場—神經元模型，研究了脈寬對后根、前根、背柱神經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元結構。該模型可用于指導大鼠脊髓電刺激實驗。 (4)使用研制的植入式ESCS刺激器對大鼠進行脊髓電刺激的實驗，研究了不同刺激參數對大鼠后肢運動功能的作用。首先，大鼠脊髓腰骶段為有效刺激節(jié)段。然后，對于運動閾下的刺激，大鼠脛骨前肌沒有明顯EMG響應；而當實施運動閾上刺激時，脛骨前肌的平均EMG峰峰值隨著刺激強度增加而增強。隨著刺激頻率的增加，脛骨前肌的平均EMG峰峰值出現了下降趨勢。最后，當刺激脈寬增加時，誘發(fā)平均EMG峰峰值逐漸上升。
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