毕业论文

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用于电刺激疗法的植入式脉冲发生器的研究	薛林	2005.12.21	微电子植入式脉冲发生器是20世纪中期问世的一种高科技医疗仪器。它集成了现代科技在微型制造、生物相容性材料、高性能电池、射频通信等各个学科的成果，在功能性电刺激、神经电刺激、肌电生物反馈及镇痛等领域有着广泛的应用。同时，微电子植入式脉冲发生器产品也是一个盈利丰厚且仍在快速增长的行业，有着非常广阔的市场前景。完善和优化植入式脉冲发生器的性能，提高医疗仪器的质量水平是生物医学工程和仪器科学领域的重点研究方向之一。本文的目的是研究植入式脉冲发生器中的各个关键技术，完成系统整体方案的设计，并研究保证产品质量的方法。 本文介绍了用于电流刺激疗法的植入式脉冲发生器的设计与实现；低功耗的设计方法，以及系统可靠性的研究方法。 本文对目前国内外用于电刺激疗法的微电子植入式医疗仪器进行了调研；选择了植入式神经刺激器作为主要研究对象；确定了用于电刺激疗法的微电子植入式脉冲发生器的主要参数。随后，根据神经刺激应用的需要，完成了微电子植入式脉冲发生器的硬件系统与软件系统的研究与开发。文中设计的脉冲发生器输出的脉冲电流的频率从1Hz到30Hz分档可调，电流强度从0到3.5mA分档可调，脉冲宽度从130uS到1000uS分档可调。 文中对所研究开发的脉冲发生器的功耗水平进行了优化和测试。在经过多种手段的优化之后，系统的平均功耗在一般使用情况下可以控制在20uA左右。在使用2.8V，2500mAh电池供电情况下，可以工作8年以上。 文中还对脉冲发生器的系统可靠性进行了分析和预测。不仅对系统的设计制作，以及使用过程可能出现的问题进行了研究，还在硬件、软件中进行了相应的设计。根据美军标MIL-HDBK-217F，使用元件应力分析法进行可靠性预测，系统70000小时寿命可靠性可以达到0.96。 本文所设计的脉冲发生器电路精简、集成度高、可靠性高、功耗低，输出电流精度和功耗水平都达到了国外同类产品的水平。此外，文中设计的脉冲发生器还具有参数调节更加灵活、系统固件可升级的特点。	访问
电纺法制造连续单方向排列聚合物纳米纤维	潘焕	2006.06.08	纳米技术和纳米材料近年来获得了飞速发展，他们将在航空航天、医学、功能材料、电子等领域获得广泛的作用。电纺丝技术是一种制造连续纳米或亚微米纤维的简便和廉价的技术，被认为是制造连续、任意长纳米纤维的唯一理想的方法。因此，电纺丝技术引起了越来越多的关注。本文主要介绍了在制造任意长、单方向排列纳米纤维上的研究成果。使用正、负喷头对喷的新方法，有效解决了不能在大面积上连续收集高度有序排列纳米纤维的问题。 建立了电喷雾和电纺丝实验平台，研究了电喷雾的喷射模式和稳定的锥-射流模式的获得和控制，在此基础上实现了电纺丝的稳定锥-射流模式喷射，并获得了连续的、直径均匀的聚乙烯醇（PVA）纳米纤维。此外，还讨论了电压、喷射距离、聚合物溶液浓度等参数对电纺纳米纤维的影响。 设计了新的喷射装置，使用两个分别接正、负电的喷头正对放置来进行喷射，喷出的带不同电荷的纤维在空中吸引、碰撞，成为整体呈电中性的稳定纤维束，然后被高速旋转的圆筒收集。使用这种方法实现了有序纳米纤维的连续收集。使用不同材料的聚合物溶液，研究了收集速度对收集效果的影响。提出极限收集速度的概念，并研究了影响极限收集速度的因素。证明了对于浓度合适的聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液，可以在极限收集速度下收集到高度有序排列的纳米纤维。此外，还研究了影响收集过程的其它参数。 分析了对喷电纺法的收集机理，指出正、负喷头同时喷射产生的“电中和”效果以及收集系统不再作为电极使用，是这种方法相比于传统方法的进步之处，并保证了有序纳米纤维的长时间稳定收集。 设计实验来拓展对喷电纺法的应用，证明了这种方法可以被改造来制造聚合物纳米纤维线，多方向有序排列的层级纳米纤维结构以及聚合物纳米纤维和纳米颗粒的复合结构等。	访问
脑力疲劳评价和电刺激对抗方法研究	董婕	2007.06.14	随着载人航天的发展，航天员对航天活动安全性的影响越来越大，航天员的疲劳评价，特别是疲劳的对抗方法，已经成为迫切需要解决的问题。本文着眼于未来长期载人航天的需求，研究疲劳的评价方法及其可能的对抗措施。本文通过日常疲劳实验和模拟驾驶疲劳实验，模拟航天航空环境中出现的脑力疲劳状态。以脑电信号时域分析和功率谱分析为主要手段，评价疲劳状态，采用主观评价、驾驶绩效评价和眼电信号评价作为辅助手段。研究结果表明，以脑电信号为主的疲劳评价手段可以有效的评价疲劳状态。疲劳后脑电信号的变化为：α（8～13 Hz）波成簇出现，θ（4~8 Hz）波幅度增大且连续出现次数增加。δ（0～4 Hz）、θ、α、β（13～30 Hz）频段的平均功率谱密度值随疲劳的加深而增大。辅助评价手段的结果与脑电分析结果相对应：主观评价的疲劳感加重，驾驶绩效的错误率上升，连续眨眼次数增多且平均眨眼持续时间增长。在以脑电信号为主的疲劳评价的基础上，研究经皮穴位电刺激方法对疲劳的治疗效果。采用韩氏刺激仪分别以2H以及2Hz和100Hz变频，针对风池穴、合谷穴和内关穴进行电刺激。日常疲劳实验和模拟驾驶实验的结果表明，经皮穴位电刺激后，部分被试者的疲劳得到缓解。脑电信号的变化为：成簇的α波和大幅值的θ波减少，脑电δ、θ、α、β频段的平均功率谱密度值降低。辅助评价手段的结果与脑电分析结果相对应：主观疲劳感下降，驾驶绩效的错误率降低，眨眼正常。经皮穴位电刺激对部分被试者起到对抗疲劳的作用，对其他被试者效果不明显或出现反效果。现有的经皮穴位电刺激模式并不适用于所有被试者，电刺激方式和参数还需要进一步的研究和改进。脑电信号可以有效的评价疲劳状态和电刺激效果。经皮穴位电刺激可以缓解部分被试者的脑力疲劳，提供了一种疲劳对抗的有效途径。	访问
单穴位植入式电针方法、装置及实验研究	牛川森	2009.06.10	针对传统中医针刺疗法在疼痛、药物依赖、抑郁等慢性疾病治疗中存在的难以长期坚持的问题，本文结合针刺技术和现代植入式医疗仪器技术，提出植入式电针概念，通过向穴位内植入微型电刺激器实现对上述疾病的中长期治疗。首先，本文提出一种适应植入式电针要求的单穴位电针方法，研制了满足动物实验要求的电针实验装置，以镇痛为评价标准，利用正常、急性关节炎症痛和慢性关节炎症痛大鼠模型，对照现有的双穴位电针方法，对单穴位电针方法的有效性和可能机制进行了详细验证与研究。实验结果表明，单穴位电针方法能够显著提高正常大鼠的伤害性感受阈值，能够显著促进中枢神经系统中内源性阿片肽的释放；单穴位电针能够显著促进急、慢性关节炎症痛模型大鼠中枢神经系统内源性阿片肽的释放，能够显著调节血清中炎症相关细胞因子的浓度。上述结果提示单穴位电针方法具有与现有双穴位电针方法同样有效的镇痛作用，两种方法的作用机制也可能相同。其次，本文综合考虑可植入性、功能性、生物安全性、装置可靠性等多种因素，研制了由体内刺激器和体外控制器组成的植入式电针系统。体内刺激器被植入于穴位皮下，通过体外控制器进行参数调整和能量供应。体内刺激器采用一体化结构设计，尺寸为Φ13×2.6 mm，重0.87 g，测试负载为1 kΩ时的最大输出电流为20 mA，能够满足应用要求。将体内刺激器植入家兔足三里穴位3周后，福尔马林急性炎症痛模型家兔实验证明植入式电针具有显著的镇痛效果；组织学评价和功能测试表明其具有良好的生物相容性及在皮下植入环境中进行中长期工作的能力。最后，本文将植入式电针的基础——单穴位电针方法拓展应用于脑力疲劳对抗研究。结果表明，单穴位电针方法能够显著改善受试者模拟驾驶期间的主观疲劳感受和生理疲劳，具有明显的抗疲劳效果。综上所述，本文研究的植入式电针刺激精确、安全可靠、使用方便，能够实现对慢性疾病的长期治疗，具有重要的临床应用价值。此外，单穴位电针方法是对现有电针方法的重要补充，在电针的穴位特异性研究中具有独特优势，对于临床上一般疾病的治疗也具有使用简便等优势。	访问
感应式无线供电系统仿真、设计及其应用	俞跃	2009.06.11	感应式无线供电技术是以电磁感应现象为基础的一种电能传输方式。在化工、采矿等一些易燃易爆领域，以及植入式医疗设备中，由于工作环境和条件受到限制，常使用感应式无线供电代替传统的接触式能量传递方式传输能量。本文主要讨论感应式无线供电在植入式医疗设备中的设计和使用。由于目前国内外研究的植入式医疗设备的感应式供电，其使用背景和条件不同，导致发射和接收电感尺寸，间距，磁芯材料，负载阻抗等都各不相同。因此还没有形成统一的设计规范和设计方法。本文以变压器的T型等效模型为基础，建立了感应式无线供电模型，并通过实验验证模型的准确性。在此基础上，通过仿真和实验的方法，系统全面的分析了耦合模型中的等效负载阻抗、互感、频率、发射和接收电感等对能量传递效率的影响。在感应式供电系统的设计中，根据已建立的模型计算分析了发射和接收端漏电感补偿的方式对能量传递的影响。分别考虑发射和接收端的电路（如发射端放大电路，接收端整流电路）和电感参数（如发射和接收电感的匝数等）对耦合模型中参数（包括：等效负载阻抗、互感、频率、发射和接收电感等）的影响，进而研究这些参数对能量传递效率的影响；并提出在发射和接收端的电路拓扑以及电感参数的选择方法。根据前文提出的设计思路，设计了一种无线供电系统。体内电感为Φ6×10 mm的圆柱型电感，体外电感为Φ29×23 mm的圆柱型电感。当充电间距（1.5 cm）为接收电感直径2.5倍时，发射端电感上功率为1.8 W，在接收端获得的功率可达230 mW；能量传递效率达到12.8%。最后，将上述研究成果应用于植入式穴位电刺激器的能量供应设计。设计样机，工作频率为160 kHz，发射线圈为20匝直径35 mm的扁平空心线圈，接收线圈为130匝直径12 mm的扁平空心线圈。使用220 mAh锂电池，一次充电后可以连续稳定工作约8小时。对轴向和径向偏移均有较好的容差性，当轴线偏差小于5 cm，径向偏移小于8.5 cm时，输出脉冲幅度基本不变。通过动物实验证明设计的刺激器完全满足应用的要求。	访问
基于大鼠丘脑前核局部场电位记录的癫痫预测方法研究	杨林畅	2010.06.12	癫痫（Epilepsy），是一种神经系统疾病，通常是脑部病变造成的脑细胞突然异常的过度放电引发的脑功能失调的一种慢性疾病。慢性脑深部电刺激术(Deep Brain Stimulation, DBS)是一种很有前景的治疗癫痫的外科手术方法。为减低刺激剂量，研究闭环、按需启动的刺激方法，具有重要的临床意义。本文以颞叶癫痫模型大鼠作为研究对象，通过对临床多通道脑电信号的记录以及活动视频监视研究核团深部局部场电位信号(Local Field Potential, LFP)同癫痫发作之间的关系。通过使用癫痫大鼠深部信号的几种功率谱及特征信号对癫痫预测GOFA(Generic Osorio-Frei Algorithm)算法进行了改进。同时尝试使用平滑伪Wigner-Ville分布以及改进后的GOFA算法对实验得到的数据，包括大鼠的脑电信号以及实际临床癫痫病人的深部脑电信号进行处理并预测癫痫的发作。研究结果表明：一.大鼠在癫痫发作时ANT的LFP会有类似皮层的同步化放电现象出现，因此可以通过分析该核团的LFP来预测大鼠癫痫的发作，深部核团信号是闭环DBS治疗方法中理想的信号源，不需要为DBS装置增加更多的侵入式植入部件，能减少病人的手术损伤和感染。二.平滑伪Wigner-Ville分布能够直观的给出大鼠深部脑电和病人深部脑电信号能量同时间-频率的关系，从而能从图像上判断癫痫发作的时间，但是由于其计算量较大，计算时间长以及缺乏一定的评判标准，并不适合于实时嵌入式系统。三.改进后的GOFA算法通过设定合适的参数，能够很好的从大鼠深部核团信号的棘波检测中预测癫痫的发作。本文用改进后的GOFA算法对7段24小时连续采集的大鼠丘脑前核深部信号进行了临床发作预测，预测的准确率超过85%，每小时误报率在7次以下，平均提前预测时间在1秒以上。对于临床癫痫病人深部核团信号的GOFA算法还需要进一步研究和改进。最后，本文对改进的GOFA算法在嵌入式系统中的应用进行了讨论，对于算法的存储空间要求以及计算步数作出了分析和计算。为将来在嵌入式系统中实现脑电监测-分析-刺激打下了基础。	访问
外电场分布和对喷方法对电纺丝纤维排列的影响研究	崔晓杰	2010.09.02	电纺丝方法是一种成本低廉，装置简单，适用材料广泛的微纳米纤维制备方法，也是目前唯一能够大量连续制造微纳米纤维的方法，具有良好的工业应用潜力。传统的电纺丝方法得到的纤维为随机排列的无纺布形态，纤维排列的无序性大大限制了其在某些领域的应用，所以，研究获得有序排列的电纺丝纤维的方法具有十分重要的意义。本文主要研究射流受力的改变对约束电纺丝射流弯曲运动的影响，致力于实现电纺丝纤维的可控沉积和单方向有序排列。本文在传统电纺丝装置中添加上平板和带电压偏置的聚焦圆环以构建收敛的外电场分布，从而获得收敛的外电场力以约束射流的扩散运动，实现电纺丝纤维的可控沉积。实验证明得到的电场分布有利于减小纤维的沉积范围。当喷射装置与收集板相对移动时，微观呈螺旋结构的纤维就可以在有限的扩散宽度内定向沉积；收集速度的变化只改变纤维的形态，并不影响纤维的沉积落点和扩散宽度。通过对获得的纤维形貌和纤维直径的分析可以推断：同时引入上平板和聚焦圆环的装置可以完全抑制射流的弯曲甩动，使之沿着中心轴运动。为了长时间的获得有序排列的连续电纺丝纤维，本文采用双喷丝头对喷方法来进行纤维的单方向有序排列。使用分别接正、负电压的相对放置的两个喷丝头喷出的射流在空中吸引、碰撞，形成整体呈电中性的纤维束，然后卷绕至高速旋转的收集圆筒上就可以实现纤维的有序排列。实验证明对喷电纺丝方法可以获得良好的单方向排列的微纳米纤维。增加收集速度可以提高纤维排列的有序度，而增加溶液浓度可以提高纤维所能承受的拉伸速度；此外，喷丝头间距和装置电场分布也会对排列效果产生影响。另外，通过提高聚合物溶液的浓度，可以在合适的速度下完全抑制射流的弯曲甩动。通过无弯曲甩动的对喷电纺丝方法可以制备排列有序度十分理想的纤维，而且收集过程变得十分稳定。本文利用对喷电纺丝方法分别制备了包裹纳米颗粒的复合纤维，珠-丝状结构的复合纤维以及双组份的复合纤维，这些不同结构的纤维均可以得到比较好的有序排列效果。	访问
载人航天型号软件测试数据自动生成研究及应用	曹洋	2010.09.08	航天航空、国防军工等领域的关键系统软件对安全性和可靠性都有着苛刻的要求。目前软件测试仍是保障软件质量最主要的技术措施，而我国关键系统软件主要依靠人工测试，使得测试质量容易产生波动且不易控制，自动化测试是解决这一问题最有效的方法。本文以载人航天型号软件自动化测试作为研究背景，研究制约其发展的测试数据自动生成技术。通过将软件的结构测试数据生成转化为优化问题，贯穿始终地以提高算法的生成效率为目标，结合遗传算法设计并优化测试数据生成算法。在与大量实际项目结合应用试验的基础上，探讨合适的测试数据生成策略。本文首先为解决现有算法难以对复杂程序生成测试数据的突出问题，并以平衡优化算法收敛效率和消耗时间的矛盾为目的，提出了一种可描述程序路径的重叠路径结构，在此基础上设计了两种适应值算法SPS和NPS实现单路径测试数据的自动生成。应用于型号软件测试且两算法都表现出良好的适用性。其次，论文选择典型的对照算法进行对比研究，深入分析SPS和NPS算法的特性和作用机理。对表现较好的算法采用静态和动态两种优化策略优化，优选出算法适宜的遗传算子组合及控制参数，并提出了一种自适应的测试数据自动生成算法。各种优化策略与相应未优化算法比较，对于验证对象平均生成时间都缩短65%以上。再次，论文提出了一种多路径测试数据自动生成算法，提高了传统路径测试一次搜索至多完成一条路径数据的效率。试验证明，该算法并非简单的单路径算法叠加，与表现最好的单路径算法相比，平均生成时间有54%左右改善。最后，集成本文对于程序路径测试的研究成果，开发了测试数据自动生成工具框架，补充了航天型号软件从静态分析到结构动态测试的中间自动化工具空白。并针对其中一款航天型号产品研制了一套功能自动测试系统，以功能测试自动产生的失效数据作为结构测试数据充分性的重要补充。软件测试自动化作为提高软件测试效率和质量的关键技术，本文的研究对于航天军工等关键系统领域的软件质量保障应用具有重要价值。	访问
用于闭环深部脑刺激的癫痫检测算法与装置研究	刘枭寅	2012.05.30	癫痫是一种神经系统疾病，是由于各种原因造成脑病变导致脑细胞产生异常过度放电或/和全身强直-阵挛的慢性疾病。它影响全球1%的人口，在我国约有九百万患者，其中1/3为药物难治性癫痫，需要进行手术。但如多致痫灶或致痫灶在功能区的患者因风险大、效果不好不适合做手术。深部脑刺激被证明对此类癫痫有一定疗效，且具有可逆性，是一种极具前景的治疗手段。传统DBS采用固定参数持续刺激，刺激剂量大对脑有潜在伤害，功耗较大。研究具有脑电癫痫检测功能的闭环DBS，能够克服这些问题，具有重要价值。我们开展动物实验用商用放大器获取海仁酸造模癫痫大鼠皮层和丘脑前核脑电。找到三种能满足植入式深部脑刺激器低功耗限制的癫痫检测算法：高法、线长和半波。优化后用4只大鼠分布于20多小时中的144次癫痫发作测试，用计算速度、漏检、误检、检测延迟（DO-EO）等指标评价其效果，并形成一套三种算法联合决策的策略。结果显示：三种算法单独检测效果较好，其中线长算法除误检率最高外其他指标优于另两种算法，联合决策则优于三者单独使用；同一大鼠同一次癫痫发作ANT脑电与皮层脑电的算法检测结果没有显著差异，表明以ANT作为检测反馈源在癫痫动物模型上具有可行性。参考三种算法的思想，开发了一种新型的实时癫痫检测算法，模拟医生观察脑电的过程，提取脑电局部极值和半波的3种特征分析脑电的幅度能量、频率和节律性。用301医院和德国Freiburg大学分别包括15和78次癫痫发作共计80余小时的两组颅内脑电进行测试，正确检出率分别为100%、94%，误检率0、0.8次/小时，平均延迟1.9、4.4秒。Freiburg数据库是常用的癫痫检测数据库，此结果正确检出率和误检率达到同类研究水平，延迟低于多数同类研究。开发了一套准在线嵌入式实时癫痫检测演示系统，其中脑电波由电脑控制声卡输出，脑电采集及癫痫检测电路主要由MSP430低功耗单片机和TI的生物电模拟放大前端芯片搭建，计算效率高度优化的高法算法被移植其中。用大鼠癫痫脑电测试该系统，能够和Matlab获得同样检测效果，实际电路功耗没有进行严格控制，理论上整机电流消耗225uA，其中单片机45uA。	访问
医疗器械软件可靠性研究与应用	陈浩	2012.12.14	在有源医疗器械领域，越来越多的产品功能都通过软件来灵活实现，因此，由于软件缺陷引发的医疗事故也越来越多。FDA历年的医疗器械召回数据也表明，由于软件缺陷引发的召回数量呈显著的增长趋势。如何提高医疗器械厂商生产高可靠性医疗器械软件的能力成为当前工程界面临的重大难题。论文从传统计算机科学领域的软件可靠性研究成果出发，针对医疗器械软件自身的特点，遵循监管部门对医疗器械软件上市前的审查要求，探索了适合我国行业现状的医疗器械软件可靠性保证方案，并在实际的工程项目中得到了成功的应用，对我国医疗器械行业生产高可靠性软件产品起到积极的促进作用。论文首先针对FDA的医疗器械软件监管要求进行深入调研，发现其主要的思想在于基于不同风险关注等级的软件监管要求和对软件开发过程的严格控制。然而，由于FDA监管的初衷是希望投放市场的产品尽可能可靠、安全，因此其所提要求在工程实践中往往显得过于严格；并且其指南文件也没有对医疗器械厂商做出明确的工作指导，厂商在执行指南文件的要求时就像是在做选择题，这对于规范市场尤其是不成熟的市场的生产行为是较为不利的。紧接着，论文分析了我国最新医疗器械软件监管要求，并与FDA的要求进行对比，在明确监管方向之后，探索了基于软件工程思想的医疗器械软件可靠性保证方案。包括软件开发过程、软件维护过程、软件风险管理过程、软件配置管理过程和软件问题解决过程在内的五大生存周期过程。整个方案的制定过程中，充分借鉴了我国921工程软件工程化的实践经验，把重点集中在面向工程和方案的可操作性上。最后，论文对软件开发过程中非常重要的软件验证活动进行了进一步的研究。软件自动测试技术作为提高软件测试效率和测试可靠性的有效手段并未广泛应用于系统验证活动中，因为系统验证往往需要产品硬件的支持，而不同医疗器械产品的硬件功能和接口千差万别。论文利用软件模块设计技术，设计了具有一定通用性的自动测试系统，在一定的使用范围内可以有效的解决这一问题，进一步提高最终软件产品的可靠性。	访问
基于力学原理的可延展柔性器件及人体健康监测	陈颖	2017.05.25	柔性电子作为一种新兴电子技术，突破了人们对传统电子器件平面、坚硬的固有印象，自提出以来就备受关注。随着技术的发展和人们对健康医疗的重视加深，利用可延展柔性电子器件与人体集成，提升现有医疗水平是柔性电子技术的发展趋势。本文围绕可延展柔性电子器件与人体健康监测领域中的若干问题，主要开展了如下研究：首先，针对人体皮肤汗液分泌和体表呼吸等生理需求，提出利用微纳米多孔结构的尺寸效应，实现可延展柔性温度传感器防水透气的类皮肤性质，解决人体皮肤与电子器件不同通透性需求矛盾。同时，发展液体转印方法成功制备出该器件，并利用一系列人体实验验证了该策略可以有效解决器件长期与人体集成时生物兼容问题。其次，利用柔性混合集成技术将可延展温度传感器与集成芯片集成，形成面向呼吸监测的独立集成器件。利用力学原理设计出适应面部复杂几何形貌的器件结构，提出压缩屈曲构型作为传感器工作形态以提高信噪比，发展2步转印法的可延展电子器件制备方法。该集成器件既有易于与人体舒适集成，又兼具高效无线传输功能。实验证明该器件可实现多场景连续呼吸监测。然后，以基于集成芯片的柔性电路为研究对象，用实验和理论分析了集成芯片与基底界面失效机理。利用压缩屈曲实验对芯片与基底连接处定量地施加弯曲载荷，观察失效界面。同时，基于梁理论与弹性双材料界面模型建立器件受弯曲变形时力学模型，给出器件临界曲率表达式，揭示材料、几何参数对提升系统弯曲能力的贡献度，从而为集成芯片与柔性基底集成器件的优化设计提供理论指导。最后，基于力学原理和2步转印法，设计并制备出基于金属温阻效应的可延展柔性温度传感器阵列。对阵列器件各项性能进行表征，利用该器件实现点热源温度场测量以及对固、液、气多种环境刺激的动态测量，同时，探究了器件通过控制佩戴物背温策略初步实现物体形状识别的能力。该研究对于与体表温度场相关的人体医疗健康监测以及机器人/假肢皮肤功能构建具有重要意义。	访问
无线视频麻醉喉镜设计及产品化	李梓嘉	2012.12.06	视频麻醉喉镜是一种应用于医疗机构麻醉科和急救科的常见医疗器械，辅助医生进行气管插管操作的重要工具。在进行全身麻醉的手术中，为了给患者建立人工通气道，以保证手术中病人的正常呼吸，麻醉医生会将一根气管导管插入到患者的声门内，在导管另一端与呼吸机相连接，从而保证患者正常呼吸。为了尽可能大的暴露患者的声门，医生将麻醉喉镜插入患者咽喉内部，通过上提喉镜，使人体咽喉部的三条解剖轴线：口轴线、喉轴线、咽轴线近似重合，进而暴露出声门。视频麻醉喉镜可以让医生从显示器上观察到咽喉内部的真实情况，进而在显示器图像的导引下，将气管导管成功插入患者的声门。视频喉镜相较于普通喉镜的优势显而易见。医生在利用普通喉镜进行气管插管时需要用眼睛直接观察患者喉部的情况，这就意味着医生需要有更多的经验才能保证插管操作的成功，同时增大了医生被患者呼吸道喷出物感染的风险。而视频喉镜的使用可以有效地提高插管操作成功率，减小医生被感染的风险。目前，我国的视频喉镜被国外进口产品垄断，大多数基层的医疗机构由于经济原因无法购买。鉴于以上现状，本论文研制开发了一款麻醉视频喉镜。完成了视频喉镜系统的结构设计和电路设计，制造出产品样机，进行了整机装配与系统测试。对于窥视片组件与手柄组件的紧固性连接这一关键点进行了仿真研究和实际的试验验证，仿真结果与试验结果均满足设计要求。在此基础上，分析了视频喉镜系统注册检验的相关标准，提出了本麻醉视频喉镜系统的注册检验标准，北京医疗器械检测所进行系统全面的检测，结果符合产品注册标准要求。本产品技术水平与国外同类产品相当，成本远远低于国外产品，能够大规模推广，对于提高我国基层医疗机构医疗设备水平、造福广大患者具有重要意义。	访问
用于植入式医疗器械的馈通设计与实现	唐俊	2012.12.17	植入式医疗器械已经成为临床治疗某些疾病的重要手段，而密封性是其最重要的特性之一。作为密封的关键部件，馈通性能的好坏直接决定了植入医疗器械的使用寿命。为了获得性能可靠的馈通，满足脑深部刺激器等设备的植入需要，本文研究了现有玻璃馈通成形过程中存在的缺陷并提出一系列的优化措施，分析了玻璃馈通的界面连接过程和应力分布，并对玻璃馈通的整体力学性能和密封可靠性进行测定和验证。同时，为适应植入医疗器械寿命延长的趋势，本文完成了陶瓷馈通的初步设计和实现。现有玻璃馈通的成形缺陷包括玻璃填充不充分、金属表面氧化污染和探针硬化等，主要是由工艺过程的热输入不足、污染性气氛含量过高和卡具结构不合理所致。玻璃对法兰和探针的润湿性是实现连接的前提，通过实验测定玻璃与Ti和Nb的润湿角分别为79°和57°，接头成形过程包括中间层形成、润湿和互相溶解。热膨胀系数会引起玻璃/金属封接界面的内应力，经计算和分析，玻璃/金属界面的径向的应力值较小，对密封的影响不大。所设计的陶瓷馈通采用Al2O3陶瓷和Au钎料，活性元素Ti在焊缝成形过程中起关键作用，焊缝内生成TiAux和Ti-O等。Au与Al2O3不润湿，但与表面金属化的Al2O3的润湿角为22°，金属化是实现陶瓷馈通成形的关键步骤。研究工作表明，通过优化后的设备和工艺，玻璃馈通的质量与合格率有明显提升；在中间层的作用下，玻璃馈通界面润湿性能良好；因热膨胀系数差异引起的玻璃馈通接头内应力较小，且玻璃/探针界面的拉应力可被探针的弹性变形抵消，玻璃/法兰界面的压应力有利于保持界面的紧密连接；探针与玻璃封接面的抗拉性能和小角度抗疲劳性能较好，玻璃馈通在特殊环境下的密封可靠性高，可满足长期植入的要求；陶瓷馈通的成形难点在于Au对Al2O3的润湿性，而陶瓷表面溅射Ti可解决这一问题，实现钎焊连接；根据设计的结构和材料，初步制成的陶瓷馈通满足密封性要求。	访问
碳纳米管宏观体在脑起搏器电极中的应用研究	姜长青	2013.06.02	脑起搏器通过埋植在胸前的刺激器向植入大脑特定靶点的电极发送电脉冲来治疗大脑疾病，是帕金森病、癫痫、抑郁等疾病的首选外科疗法，对于药物成瘾等治疗也有潜在的临床价值。电极直接与脑组织接触，是脑起搏器系统中的核心部分。而电极在磁共振成像下应用存在不相容的问题，限制了脑起搏器的应用。脑起搏器开发技术难度高，长期为美国垄断。本文全面解决了电极的设计、工艺、测试以及可靠性等问题，实现电极开发并批量应用于临床，使电极制造在国内首次突破并达到了长期临床应用水平。在此基础上结合碳纳米管宏观体，提出用碳纳米管线制作电极触点以及用碳纳米管薄膜包裹电极的方法，对电极在磁共振成像应用中存在的关键问题进行了研究。首先提出用碳纳米管线取代传统铂铱制作电极触点，通过体外测试和动物实验分析了其电化学特性，表明碳纳米管具有优良的电极界面特性，如电荷存储能力是铂铱的20多倍等，且性质稳定。建立了等效电路模型，分析了阻抗成分，表明其是理想的刺激电极。碳纳米管线电极的优良界面性能也为电极向小型化等方向发展提供了更大的空间。研究了磁共振成像环境下碳纳米管线电极的伪影现象，通过水模实验和大鼠植入实验，证实其可以改善铂铱电极的磁共振成像质量，伪影减小超过50%，这能显著提高磁共振成像对电极的定位精度等。通过实验和理论分析表明磁化系数差异是影响脑起搏器电极伪影的主要因素，也是新的电极触点图像特性得到改善的主要原因。磁共振成像使用的射频磁场可能引起电极尖端过度发热，是脑起搏器在磁共振成像中应用的最大安全隐患。本文在研究触点以及导线结构等因素影响的基础上，提出了采用碳纳米管薄膜包覆电极的方法，显著降低了电极在磁共振环境下发热问题。体模实验表明该方法最大可将发热程度降低90%以上，不仅有望解决脑起搏器在磁共振下的临床应用问题，同时将为脑科学的研究打开一扇窗口，对心脏起搏器等其他植入式器械也有显著的应用价值。最后通过细胞培养和最长12周的大鼠植入实验对碳纳米管宏观体材料的生物相容性进行了研究，表明其具有良好的生物相容性，初步验证了其作为长期植入材料的可行性。	访问
抗疲劳植入导线的研究	许扶	2014.06.04	神经电刺激器作为一种新兴的治疗方式，已使数百万患者从中受益。植入导线是其重要组成部件，起到输出电刺激至合适治疗靶点的作用。在人体内数年乃至数十年的使用过程中，导线面临着各种弯曲、扭转和拉伸等交变载荷，疲劳环境严峻。植入导线一旦发生断裂，将导致设备失效，引起患者的二次手术伤害，此类情形在临床应用中时有报道。针对植入导线的重大应用需求，本文以研制国内第一个脑起搏器植入导线工作为背景，以其疲劳特性为切入点，兼顾植入小型化要求，研究当前普遍应用的金属导线疲劳特性，分析并阐明螺旋线存在的问题，进而提出基于碳纳米管线制备截面直径小、疲劳性能优异的植入导线的思路，并进行深入研究。首先，搭建本课题的试验平台，为研究开展提供硬件基础。设计、制造了用于研究导线疲劳性能的弯曲疲劳试验机、用于制备大直径碳纳米管线的绞线装置和用于监测疲劳过程中电阻变化的自动电阻测量系统。其次，对金属螺旋线和金属绞线的疲劳性能进行试验研究和理论分析。实验测量金属绞线和螺旋线的疲劳寿命；分析导线弯曲的应力分布；推导螺旋线弯曲时最大米泽斯应力与其结构之间的关系，并进行有限元计算验证。结果表明：螺旋线抗疲劳性能远优于绞线；螺旋线的疲劳寿命高度依赖于螺旋结构，一旦螺旋结构发生变化，导线疲劳寿命大受影响；螺旋线截面直径的减小也会大幅降低导线的疲劳寿命，进而阻碍植入导线的小型化。再而，开展弯曲疲劳、磨损疲劳、阻抗检测及断口形貌分析系列实验，综合研究碳纳米管线的疲劳性能。结果表明碳纳米管具有优异的弯曲疲劳性能，但易出现磨损疲劳。实际应用时，需要对其进行特别保护，可采用实时的阻抗测量以监测磨损状况。而不同的断口形貌特征，可以为碳纳米管线的断裂失效分析提供依据。最后，提出绞线法制备大直径、高性能的碳纳米管线，构建微观碳纳米管性能研究到宏观实用的桥梁。实验研究制备参数（单线上张力、绞距）对绞线性能的影响；成功将细直径碳纳米管线的高性能扩展到大直径绞线上；并制备出银丝复合碳纳米管绞线，兼具抗拉强度高、电导率高和疲劳寿命高的优点。	访问
电磁感应式经皮能量传输的热安全研究	陈少波	2014.04.03	在有源植入式医疗设备成为全球热点的今天，感应式经皮能量传输技术因能有效延长植入设备的使用寿命而得到广泛关注。但是，该技术在近年临床实践中暴露出严重的热伤害风险，引发多例病人烫伤，制约了技术的持续发展和应用推广。在此背景下，本文成功开发一个感应式经皮能量传输平台，通过计算仿真、离体模型、动物实验、临床实验等系列工作对热安全性问题展开系统化研究，为众多有源植入式医疗设备提供安全、可靠、稳定的能量供给方式。本文首先建立一套通用的闭环经皮能量传输系统，分析引起组织温升的热量源头。系统采用闭环功率控制，可实现不同耦合条件下的稳定能量传输，满足大部分有源植入设备的功耗需求。基于水浴实验分别标定体内外装置产热的功率，详细分析各部件的功耗。建立仿真模型，计算生物组织的比吸收率，确定组织直接吸收的电磁场能量及其引起的温升。其后研究能量传输热源影响下的组织温度分布，确定最恶劣区域。通过明胶与植物油的不同配比，分别制备肌肉及脂肪模拟材料，设计并搭建离体分层模型。实验测量不同影响因素下（充电功率、横向偏移及散热条件）经皮能量传输引起的植入物周围温度分布，推断温度最高点易发于植入物顶部。为此设计相应的无线测温功能，创造性地提出接收功率与植入物温度双闭环的经皮能量传输方案：调整体内充电功率以改变设备功耗及发热量，调控植入物温度；调整体外发射功率以确保植入物接收功率恰好满足充电所需，维持稳定的能量传输。在温度双闭环调控之外，添加冗余的软硬件温度保护功能，进一步提升系统的热安全性。以猪为植入对象开展活体实验，分别运用光纤测温、无线测温等手段，对植入过程中及稳定后的长期能量传输发热进行深化研究。测量并验证温升最恶劣区域，对比活体平台与离体平台的温度分布，分析血流散热及基础体温的影响，探讨皮肤温度与植入物温度的相关性，验证双闭环能量传输系统的热安全性。最后，基于经皮能量传输方案，研制用于帕金森病治疗的可充电式脑深部刺激器并投入临床试验。通过红外测温、用户问卷调查及大量人体充电数据的统计分析，证明了本系统的安全性及有效性，确定了充电效率的显著影响因子，并据此提出相应的充电设备操作建议。	访问
脑深部电刺激术前评估方法及系统研究	曾雪	2014.06.03	近年来，脑深部电刺激技术在国内外逐渐发展成熟，国产脑起搏器产业崛起，其治疗运动障碍性疾病的安全性和有效性得到公认。脑深部电刺激疗法现已成为治疗神经外科功能性疾病的重要手段之一。而术前评估作为判断帕金森病患者是否适合进行手术治疗的最重要一环，目前依然主要依靠医生经验进行判断，在诊断准确度、效率和术前数据保存等方面都存在一定问题。论文以脑深部电刺激疗法在治疗帕金森病方面的应用为背景，基于临床试验数据，重点探讨术前评估体系的定量分析和术后效果预测，提出定量化打分评估的思想，为帕金森病患者信息的存储、评估和预测提供更为方便的平台。论文首先调研和总结了脑深部电刺激术前评估的经典理论及体系，主要介绍CAPSIT-PD神经外科手术术前评估体系，总结针对帕金森病的脑深部电刺激手术的核心入选标准以及评估过程的核心方法论。其次，根据临床实际需求，提出定量化评估的思想。针对中国帕金森病人的情况进行总结，提炼出术前评估的评分要点。同时在第二章CAPSIT-PD评估体系和核心标准的基础之上，结合国外和国内术前评估的要点和方法，参考医生经验，分临床诊断、运动评估、行为认知和并发症四个部分撰写脑深部电刺激术前定量评估细则，实现了术前评估的定量化。接下来，建立术前评估模型，并运用matlab软件进行模型参数拟合。根据患者术前评估各项结果，直接得出术前评估综合得分，反映病人术后效果。同时针对本课题所涉及的临床情况，运用专业分析软件，对影响术后效果的因素进行logistic回归分析和ROC分析。研究运动评估和并发症这两大因素对术后效果的影响比重大小。最后，在以上工作的基础上，以临床实际为依据，设计了基于PHP脚本开发语言、MySQL数据库、Apache服务器的帕金森患者信息数据库。使用户可以方便地使用 Web 浏览器通过 Internet 访问数据库，对患者资料进行科学化的管理，并进一步完成手术效果预测功能，为患者是否适合进行脑深部电刺激疗法提供数据参考。	访问
帕金森病立体定向手术术中记录微电极的研究	刘锡刚	2014.06.03	帕金森病是一种常见于中老年人的神经系统疾病，随着中国老龄化的加深，中国的帕金森病患者逐年增加。目前治疗帕金森病最有效的方法是立体定向手术与服药相结合，而立体定向手术的手术效果在很大程度上是由目标靶点核团定位的准确度决定的，微电极记录技术（MER）被认为是目前最准确的靶点定位方法，在临床中多采用MER技术与MRI图像相结合的方法进行定位。随着立体定向手术特别是脑深部电刺激术在治疗帕金森病中的应用越来越多，术中记录微电极作为微电极记录系统中最重要的耗材，需求量也越来越大。目前临床中使用的术中记录微电极产品都是由国外的医疗设备公司生产的，价格相对较高，增加了手术费用，患者的负担加重；另外，由于购买术中记录微电极时需要从国外订购，购买周期很长，有时医院会面临没有术中记录微电极可用的状况。因此本研究任务希望借鉴已有的术中记录微电极产品，在术中记录微电极的功能需求分析的基础上，设计并制备一种性能符合使用要求、成本相对较低、加工工艺较为简单的术中记录微电极。本论文首先对目前市场上已有的几种术中记录微电极进行了分析对比，找出它们各自的优缺点并进行借鉴，然后对术中记录微电极在使用时需要完成的功能及现有微电极记录系统对术中记录微电极的参数要求进行调研，在充分调研的基础上完成对本研究任务所要制备的术中记录微电极的结构设计，并根据所设计的术中记录微电极的各部分的结构特点及功能要求完成对材料的选择。根据所选择的材料的性能以及所设计的术中记录微电极各部分的结构特点，对制作术中记录微电极的工艺方法进行调研和探索，特别是针电极尖端的制备、派拉伦涂层的涂覆、针电极针尖涂层的去除以及术中记录微电极的装配四个对术中记录微电极性能有较大影响的关键工艺步骤。在调研的基础上通过不断地探索，最终完成了整根术中记录微电极的制作。对完成的术中记录微电极进行机械性能和电学性能测试，并对实验结果进行了评估。实验结果表明，根据本论文提出的术中记录微电极的工艺流程制作的术中记录微电极，其性能符合使用要求。	访问
基于移动平台和Web的脑起搏器程控系统研究	陶龄浩	2015.06.04	脑起搏器是一种通过电流脉冲刺激脑深部核团以治疗帕金森病等功能性神经疾病的有源植入式医疗器械，其参数调节需要通过体外程控仪实现，而体外程控仪所需要解决的关键问题包括系统设计、平台选择、软件设计和可靠性保证等。本文针对脑起搏器程控系统、Android系统、低功耗蓝牙技术、SQLite数据库及Web应用开发技术进行了深入研究，首次提出将智能移动设备及低功耗蓝牙技术应用于脑起搏器程控系统。该系统在实际工程项目中得到了成功的应用，性能与传统程控系统相比有很大提升，对脑起搏器程控系统的自主研究起到了积极的促进作用，对推动脑起搏器成果的产业化也具有重要意义。本文首先针对程控系统需要实现的功能进行了调研与归纳，提出程控系统基本需求。经过对现有技术的对比分析，确定了程控系统的整体技术方案及功能模块规划。 紧接着，对各功能模块进行分析，并给出了实现方法。程控通信模块，主要是Android系统与蓝牙串口芯片之间的低功耗蓝牙技术通信，包括类的设计与封装、通信协议的应用、接收数据与发送数据方法的实现，并结合脑起搏器工程特点提出了流量控制方案、时间窗口方案、界面响应方法及步进编程方案；数据库操作模块，主要是Android系统SQLite数据库操作，包括数据表设计、数据存储与查询方法，提出了数据更新方案及组合查询方案；网络功能模块，主要是网络服务的开发及客户端调用服务接口的实现，包括数据上传及版本升级；视频记录模块，主要是Android系统多媒体功能开发，包括拍摄及播放患者视频，首次在程控系统中实现了视频记录功能，使医生能够更直观地了解脑起搏器的疗效。本文提出了MAC地址配对方案、程控系统管理应用方案及全局状态数据方案，对多设备间的配对管理及身份识别提出了解决方案，提高了程控系统的可靠性与安全性。最后，考虑到程控系统主要面向医生，针对用户界面及软件性能进行了优化，包括安装包优化、内存优化、节电优化及用户交互优化，改善用户体验。	访问
基于数据分析的PD患者就医行为及治疗方式评估研究	周际	2015.06.04	我国作为拥有帕金森病（Parkinson’s Disease, PD）患者人数最多的国家，承担了全世界近一半数量的PD患者所带来的各方面压力，随着人口老龄化的加剧，这种负担将会愈加严重。长期有效的疾病管理不仅能减轻疾病负担，提高患者生活质量，更能有效利用社会资源，降低疾病成本。深入了解中国PD患者就医和治疗情况，选择更合适的治疗路径，不仅受到卫生政策制定者的关注，而且能通过合理配置卫生资源从而有效满足我国PD患者的需求。在当前中国医疗系统环境下，因PD所产生的负担主要还是由患者家庭所承担，因此，选择效果更突出且成本相对可接受的疗法从一定程度上能够满足患者及其家庭的就医预期，并且帮助他们更好地支配有限的医疗预算。本研究从实际需求出发，以了解中国PD患者的基本情况为基础，从疗法选择入手，从临床疗效和经济成本角度评估药物和脑深部刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）疗法的短期效应，并通过建立Markov模型模拟疾病发展过程从而估算疗法的长期成本效用，从疗法选择的角度为疾病管理提供基础依据。论文首先调研了PD患者的基本情况，重点关注就医行为，分析其特点和存在的问题，并通过借鉴学习慢病管理模式，为PD疾病的公共管理提出了建议。基于调研结果，以疗法选择作为切入点，选择PD治疗中最常用的药物治疗和DBS治疗，通过对临床试验患者1年的随访研究证明了DBS在治疗PD短期疗效上的优势；同时通过不同治疗方式的群组间的对比研究发现，DBS手术组的患者生活质量优于药物组，其照顾者的心理负担也小于药物治疗组，且DBS组在其他医疗资源上的消耗更少，但由于参与调研的两组患者病程不匹配，导致经济学的对比存在偏差，需从长期角度做进一步对比。受随访时间限制，选择用模型的方式估算PD疗法的长期成本效用。利用Markov模型来模拟疾病的发展过程，模型参数部分来源于本论文的实际临床研究和调研，部分取自经典文献，借助TreeAge软件，模拟初设条件下DBS和药物疗法在不同时间点所产生的成本、效用以及两者的增量成本效果比。模拟结果证明，在整个生命周期内，DBS相对药物治疗的增量成本效果比ICER在可接受范围内，时间越长，两者的ICER越小。患者的发病年龄，选择DBS手术的时间以及手术的治疗成本等因素会较大的影响模型结果。	访问
植入式医疗器械馈通的可靠性及寿命评估研究	高云霆	2015.06.13	本文以一种有源植入式医疗器械的玻璃封接馈通作为研究对象，分析了馈通在人体内温度应力作用下的失效机理，建立馈通的失效寿命分布模型，提出了恒定应力加速寿命试验方案，并通过试验，得到了馈通的失效寿命分布数据。从而得到了馈通可靠性方面的相关信息，为进一步改善馈通生产工艺，提高馈通可靠性奠定了基础。首先，本文介绍了国内外关于植入式医疗器械封装，以及可靠性研究的发展历史和现状，对植入式医疗器械封装的重要性，可靠性试验的方法及其发展趋势，进行了回顾及评述。其次，阐述了玻璃-金属封接机理，分析了影响封接可靠性的因素，提出了封接材料、封接工艺上的要求。第三，根据玻璃-金属封接的失效机理，确立了馈通的失效寿命分布，并在此基础上通过高应力加速寿命试验确定相关参数，提出了恒定应力加速寿命试验方案。第四，通过最小二乘法、最佳线性无偏法等不同方法对加速寿命试验数据进行处理，得到了人体环境下馈通的失效寿命分布，预测馈通的使用寿命及可靠性变化，发现目前馈通尚无法满足植入式医疗领域的使用需求，仍需进一步改进。第五，对试验结果进行进一步处理，提高了馈通失效寿命分布的准确性，在此基础上计算馈通失效的激活能。同时设计进行了两项对照试验——低温加速寿命试验和环境应力寿命试验，通过对照试验进一步提升加速寿命试验结果的可靠性，并为进一步工作奠定了基础。最后，对全文工作进行总结，提出了植入式医疗器械可靠性试验的进一步研究内容，并指出了本课题接下来的研究方向。	访问
金属层状介质环境下的电磁耦合能量传输研究	李青峰	2015.09.22	电磁耦合能量传输在便携式消费电子、电动汽车和有源植入式医疗器械等行业有广泛的应用，在这些应用中广泛使用的金属层状介质导致能量传输性能恶化。本文结合建模仿真和实验验证，研究金属层状介质对能量传输特性的影响规律，以及抑制金属层状介质涡流效应的方法，主要工作如下：（1）基于电磁耦合能量传输的等效电路模型和电磁场仿真模型，研究了金属层状介质对能量传输特性的影响规律，发现了优化性能的关键参数。基于等效电路模型，显式分析了金属层状介质影响能量传输的机制，以及无金属介质环境和金属层状介质环境下线圈匝数、线圈阻抗、金属介质电导率、金属介质厚度、负载阻抗、系统频率和耦合位置等参数对能量传输性能的影响规律；基于电磁场仿真模型，定量计算系统参数，验证等效电路模型的分析结论，明确了决定金属层状介质影响机制的重要因素，以及优化能量传输性能的关键参数，并仿真研究了多层金属介质环境下的能量传输特性，最后，实验验证上述结论。（2）系统研究了抑制金属层状介质在电磁耦合能量传输中的涡流效应的方法，发现了分形图案切槽对涡流效应的明显抑制效果。基于金属层状介质涡流效应的影响因素，先从物理角度研究了优化金属层状介质的电导率、相对磁导率、厚度和尺寸，以及优化系统频率和磁感应强度等参数以抑制涡流效应的方法，揭示了这些方法抑制涡流效应的机理；再从几何角度研究了结合分形几何设计沟槽的切槽方法，探讨了分形图案的优化，进一步研究了多层金属介质环境下分形图案切槽的抑制方法；最后，实验验证分形图案切槽对涡流效应的抑制结果。（3）研究了高电导率金属层状介质调控电磁环境的方法，有效抑制了植入式装置可充电电池的充电温升。将该方法和分形图案切槽抑制涡流效应的方法、以及金属层状介质环境下能量传输的耦合规律应用于可充电脑起搏器的设计，提出了针对有源植入式医疗应用的以接收效率和传输效率为优化目标的优化方案，给出了接收线圈匝数、补偿电容和系统频率的匹配选择方法，优化了电路板内电层的分形图案和电池的局部电磁环境。可充电脑起搏器历经动物实验、临床实验，验证了系统的可靠性。	访问
同步电刺激下深脑局部场电位采集方法与分析	钱星	2016.05.29	如果能够在对帕金森病（Parkinson’s disease, PD）患者进行脑深部电刺激（deep brain stimulation, DBS）治疗的同时，获取长期的神经电活动信息，将为研究DBS作用机制、实现真正的闭环刺激提供一个难得的机遇，进而有可能为研究脑功能疾病建立一个基于人脑的研究平台，加深我们对大脑的认识。本文首先研究同步电刺激下深脑局部场电位（local field potential, LFP）采集方法与装置，并搭建体外测试平台。针对由于电极触点间距小、刺激电压高所导致的同步刺激下采集信号中包含幅值高于有效信号两到三个数量级的刺激伪迹使得信号频谱失真的问题，研究全频带信号重建的方法。首先提出了基于模板建立与提取的方法，即建立刺激伪迹的通用模板并从采集数据中减去从而重建有用信号；第二种方法是应用现代信号处理中自适应参数估计的理论，将刺激伪迹当成一系列正弦信号的叠加，估计它们的频率、相位和幅值，再从原始信号中减去并得到期望的全频带有用信号，该方法潜在地为闭环DBS的实时处理提供技术支撑。在此基础上，记录批量PD患者术中丘脑底核（subthalamic nucleus, STN）LFP信号，初步探索了PD患者STN-LFP节律特征和DBS对其影响规律，发现：① 与多巴胺能药物类似，DBS可以抑制β频段过多的同步活动，但未观察到类似于药物引起的γ频段振荡，表明DBS治疗机制可能不同于药物疗法；②在1~3V刺激幅度范围内，β频段振荡的抑制程度与刺激幅度成正相关，90μs脉宽表现出比60μs对β振荡更大的抑制；在60~120Hz刺激频率范围内，β频段的抑制程度与刺激频率成正相关，在120~185Hz范围内，β频段的抑制随刺激频率的增加无明显变化趋势；该研究为临床刺激参数优化提供了技术支撑；③在11/75例刺激关闭的STN-LFP中发现高频振荡（260±62Hz），17/75例STN-LFP在刺激开启时存在快速高频振荡（300~350Hz），猜想快速高频振荡可能是促进运动的节律，电刺激可能会引起fHFO，该现象为DBS机制的研究提供了线索。在上述装置、处理方法研究和临床数据验证的基础上，研制了可实时传输出深脑LFP的全植入系统，即带感知功能的脑起搏器系统。采用该系统，以PD食蟹猴模型为对象的长期全植入验证性动物实验表明发病侧肢体PD症状评分值和对侧STN-LFP的β频段电活动水平均随造模天数呈递增趋势，二者归一化值高度相关。最后完成了首例临床植入试验，系统功能正常，成功采集到患者深脑LFP信息。	访问
迷走神经刺激电极与神经界面力电特性研究	袁媛	2016.05.29	迷走神经刺激广泛应用于癫痫，抑郁和心衰等多种药物难治性疾病的治疗。电极与迷走神经界面的力电特性，是决定该疗法安全性和有效性的关键因素，也是实现精确的个性化治疗的基础，对临床应用具有重要意义。本文通过有限元建模和动物实验，研究了电极引起的神经受力、损伤以及电刺激响应的变化规律。首先，建立了电极与神经相互作用的力学模型，分析电极结构参数对神经受力的影响。利用超声剪切成像和单轴拉伸法表征了神经剪切模量和杨氏模量，在此基础上研究了神经受力随电极厚度、宽度、螺距以及内径等的变化规律，并给出了临床植入最佳的电极内径与神经直径的比值。分析了神经自身的工程弹性常数在其受力中的影响，有助于临床中电极植入位置的选择。其次，量化了电极对神经的力学作用与神经损伤的对应关系。为评价神经损伤，建立了刚体平板压缩模型，分析了神经尺寸和压缩率在神经受力中的影响，明确了以压缩率为控制参数。开展了急性和长期的中华小型猪活体实验，通过超氧化物歧化酶活性分析、脂质过氧化物丙二醛含量分析以及组织形态学分析，研究了神经不同受力状态下损伤的变化过程和表现形式，给出了神经承受压强的安全阈值。再次，以迷走神经复合动作电位为对象，研究了电极与神经界面的电学特性以及力电耦合特性。开展了中华小型猪的活体实验，分析了电流幅度、脉宽和频率等刺激参数与迷走神经复合动作电位响应的对应关系，进而提出个性化治疗参数的选择标准及选择范围。通过分析神经拉伸对复合动作电位的影响，明确了以其研究电刺激效应的关键因素为拉伸率。结合动物实验和仿真计算，分析了电极结构导致的神经受力，及其引起的复合动作电位变化规律。研究结论为电极结构的优化设计以及闭环迷走神经刺激疗法的发展奠定了基础。最后，在电极与神经界面力电特性研究的基础上，研制用于迷走神经刺激的螺旋电极。针对其中最为关键的电极粘接界面特性问题，建立了疲劳试验平台系统，并结合红外光谱法和溶液侵蚀法进行了分析和改进，实现了硅橡胶与铂铱合金两种材料的可靠粘接。进而系统解决了电极设计、工艺及测试等问题，在经过长期动物实验验证的基础上，实现了临床应用。	访问
变频刺激对帕金森病冻结步态的影响及规律研究	加福民	2016.12.16	丘脑底核电刺激治疗帕金森病，不仅能显著改善其震颤、肌强直及运动迟缓等症状，还能减少服用药物引起的运动波动，延长开期时间，已经成为帕金森病治疗的首选外科疗法。然而对冻结步态等中线症状却改善有限，甚至会使其恶化。此外，脑起搏器长期被美国垄断，使该疗法的自主创新成为无源之水。在此背景下，本文通过临床试验和理论创新，验证了清华大学自主研发的可充电脑起搏器治疗帕金森病，尤其是冻结步态的安全性和优效性，为国家高端医疗器械的自主创新工作提供了一个可以借鉴的模式。首先，本文针对清华大学自主研发的脑起搏器，设计了科学合理的随机双盲对照临床试验方案。随后在国内筛选了3家该领域的临床中心，并且招募完成了53例原发性帕金森患者，通过临床试验，充分验证了试验产品的安全性和有效性。此外，由于神经调控类医疗器械的体外无线充电技术在国内尚属首次临床应用，因此在试验过程中也专门对此进行了研究，并给出了具体可执行的操作建议，为后续的临床应用推广打下了基础。作为脑深部电刺激治疗帕金森病的靶点核团，丘脑底核的电生理特征对于机制探索和疗法的进一步优化都至关重要。本文通过对术中微电极记录到的信号进行处理、分析，得到帕金森患者丘脑底核的放电类型、放电频率以及核团长度等电生理特征。而后与相应的临床症状进行相关分析，发现了放电频率与震颤和姿势步态异常的关联，为新疗法的提出提供参考。其后，与理论相结合，首次提出了丘脑底核变频刺激治疗帕金森病冻结步态的新疗法，并针对性地设计了临床试验方案。通过入选28例经过长期高频刺激，仍不能有效改善冻结步态的受试者，在其药物关期状态下研究了不同刺激模式对起立行走能力、运动功能以及相关调查问卷的影响。6个月的随访结果证明了新疗法的安全性和稳定性，而且相对恒频刺激能够更好的改善冻结步态和运动症状。最后，采用事件相关电位技术，系统研究了丘脑底核不同刺激模式对帕金森病患者注意力，尤其是新异刺激加工能力的影响。结合冻结步态发生的机制，提出了不同刺激频率，尤其是变频刺激对其影响的可能机制，为疗法的进一步优化提供了支撑。	访问
基于MR测温的脑起搏器电极核磁射频发热评估方法研究	董延涛	2016.05.31	脑深部刺激与核磁共振成像在多种脑疾病的治疗、诊断以及脑科学研究中正扮演着越来越重要的角色，两者结合，无论在临床上还是在脑科学研究中，都具有重要意义。然而两者的不兼容问题，特别是磁共振射频场引起的脑起搏器电极的发热问题，限制了脑起搏器在核磁共振环境下的应用。核磁共振测温是近年来快速发展起来的一种无创测温手段，本文以此为基础结合生物传热仿真模型提出了一种评估脑起搏器电极在核磁扫描时发热安全的方法。首先对比分析了几种常用的核磁测温方法，选取基于质子共振频率转移的核磁测温方法作为本文的测温手段，并对该方法的影响因素进行了分析。由于金属伪影的存在，核磁测温无法测得电极触点周围的温度变化，为此本文提出以核磁测温得到的伪影外数据作为生物传热模型边界条件反推电极触点温升的方法。进一步介绍了生物传热理论，建立了生物传热仿真模型，最后基于已有的研究结果提出一种利用测温加热序列串评估脑起搏器电极在核磁扫描时发热安全的方法。其次在琼脂模型中采用外源交变电流模拟射频诱导产生的电流对电极触点加热，以此实验为基础建立了核磁测温结合生物传热模型反推电极触点温升曲线的算法。对比了三种不同幅值电流加热模式下反推方法的准确性，结果表明该方法能够在电极触点温升较高且保证患者安全的前提下获得准确的反推结果，平均误差百分比在10%左右。最后，本文设计了测温加热序列串，在体模中实现了利用核磁设备交替进行测温加热的功能。研究了三种不同的测温加热序列串扫描模式下反推方法的准确性，结果表明当序列串中测温时间较短时，本文提出的基于核磁测温与生物传热模型反推电极触点温升的方法准确性较高，平均误差百分比也在10%左右。	访问
癫痫患者心率变异性研究	黄蕾	2016.05.31	癫痫是一种常见的神经系统疾病。全世界目前大约有5000万癫痫患者，每年大约有240万人被确诊患癫痫。当前，由于对癫痫认识并不充分，癫痫尚不能被彻底治愈，其确诊时间较长，准确率也不是特别高。研究表明，癫痫发作会对自主神经系统产生重要影响，而心率变异性能在一定程度上反映自主神经系统的活性。研究癫痫患者的心率变异性特征，有助于加深对癫痫的认识。由于心率变异性的测量和计算非常快速和便捷，一旦掌握了癫痫患者的心率变异性特征，就可以将其作为确诊的重要指标，进而缩短确诊周期，提高诊断的准确性。此外，心率变异性还能用来评估癫痫的治疗效果，进而对治疗方案提出反馈和改进。论文以51名癫痫患者和50名健康对照组的原始心电数据为基础，围绕心电数据的采集、处理和分析过程展开工作，系统地分析和总结了癫痫患者和健康对照组心率变异性及其昼夜节律的差异。论文首先调研了国际上较为权威的心电数据库、心率变异性公认的计算方法和国内外学者对癫痫患者心率变异性的研究进展，找到了前人研究中存在的不足，明确了研究目标和研究方法。其次，根据实际需求确认了心电数据的采集方案，包括患者和对照组的甄选、采集时长的确定和心电导联的选择。接下来，针对几种常见噪声进行了心电数据预处理，完成了R波检测工作。在得到心率变异性数据之后，设计了有关数据库来存储这些数据，以便在分析过程中能够根据研究条件进行检索。最后，以分析所得数据为基础，在时域、频域和非线性域找到了癫痫患者和对照组存在显著统计学差异的心率变异性指标，并分析了其昼夜节律特征，为下一步的研究工作奠定了基础。	访问
基于脑起搏器应用的远程监护系统设计与实现	吴俊演	2016.05.31	帕金森疾病是危害中老年人健康的三大疾病之一，随着我国社会老龄化程度的提高，帕金森患者的人数在逐步增加，帕金森患者的健康监护和管理是一项重要需求。基于此，本文设计和实现了一种监护系统，专门服务于帕金森患者尤其是做过脑起搏器植入手术的患者。论文首先对国内外现有的监护系统架构进行了深入研究，对帕金森患者的监护问题和现状进行了文献调研，得出了给帕金森患者提供监护的必要性，并结合现有的移动互联网技术、智能设备科技和可穿戴传感技术，提出了以脑起搏器和患者为监护对象的系统构想。之后重点结合目前已经植入脑起搏器的帕金森患者存在的监护问题，考虑偏远患者对系统的诉求，以及程控医生和科研人员对系统的需求，归纳出本监护系统的总需求。以总需求为导向，依托于工程实际，通过对技术方案的对比分析，确定了系统实现的技术方案，将总系统划分为两个模块：脑深部电信号数据采集系统（本文又称“脑电监护系统”）和以患者App为核心的移动监护系统（本文简称“移动监护系统”）。 论文针对“脑电监护系统”和“移动监护系统”进行了详细的架构设计和技术实现。其中前者依托于带感知功能的脑起搏器产品（由合作企业北京品驰医疗设备有限公司生产制造，型号为G102RS），已经在实际的工程项目中得到了成功的应用。后者设计实现的App应用已经发布并开放给部分患者试用。“脑电监护系统”可以在治疗的同时采集到脑深部的电信号并实时传递出来，为以后实现闭环刺激或个性化治疗提供了有力的工具。移动监护系统可以给已植入DBS的患者提供强有力的术后监护和管理工具。该子系统对进一步推动脑起搏器成果产业化具有重要作用。论文在系统技术实现的过程中，深入学习和研究了iOS系统、低功耗蓝牙技术、通信协议、MYSQL数据库技术、SQLite嵌入式数据库技术、Windows GUI编程技术和JAVA服务端编程技术等。论文对系统的各个主要模块进行了详细的分析，并给出了实现方法，对其中用到的一些关键技术，也给出了说明和阐述。	访问
基于实时系统的植入式神经刺激器体外充电控制平台	黄俊	2016.05.31	植入式神经刺激疗法，是一种用于治疗重症的帕金森病等运动障碍疾病，以及癫痫、顽固性疼痛，急迫性尿失禁等疾病的电刺激疗法。这种疗法克服了传统药物治疗带来的药效下降、出现不良反应等缺点，避免了毁损手术治疗的风险。植入式神经刺激器系统包括植入患者体内的脉冲发生器和体外程控、充电平台。随着植入式神经刺激器的种类、疗法、功能多样化，现有的体外程控、充电平台由于硬件平台的制约，导致功能的修改、扩充受到限制，已经无法满足临床需求，因此，本文提出了一种基于嵌入式实时系统的新型植入式神经刺激器体外充电控制平台。本文以北京品驰医疗设备有限公司生产的R801型体外无线充电器和C701型患者控制器为基础，在消化吸收现有两款产品功能的基础上，研发新型的植入式神经刺激器体外充电控制平台。新平台遵循手持便携设备的发展趋势，一改传统体外控制器使用物理按键进行操作的方式，集控制和充电功能于一体，从根本上解决了多种疗法难以兼容、复杂功能难以实现的弊端，同时大大提高了用户的使用体验。本文根据平台的具体软硬件需求以及开发人员实际情况等因素，详细介绍了硬件平台（包括微控制器、显示方案、存储方案）和软件平台（嵌入式实时操作系统）的选择和配置。接着，本文采用MSP432微控制器和μC/OS-III系统，进行了新平台在多任务环境下的硬件驱动程序开发，构建了一种轻量化的图形用户界面，并在此基础上，实现了对体内刺激器的通信控制，无线充电，数据记录等功能。经过实际运行测试，新平台运行流畅，功能完整，硬件性能得到了提升，用户体验大大增强。整个系统在保证正常工作功耗没有增加的同时，待机功耗较原有产品降低了72%。本文最后对全部工作进行了总结，并对产品的未来发展做出了展望。	访问
脑起搏器植入电路系统的MRI兼容性研究	白冰	2017.05.26	脑起搏器是一种重要的用于神经功能疾病治疗的植入式医疗仪器。随着磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）技术在临床中的普遍应用，越来越多的脑起搏器患者需要接受MRI扫查。然而，因脑起搏器电路系统与MRI的兼容性问题，患者目前只能在脑起搏器关机的状态下进行MRI扫查。为了使患者更好地完成MRI扫查，并降低脑起搏器关机带来的临床治疗风险，解决脑起搏器开机状态下进行MRI扫查的安全性与可靠性问题，具有重要的研究价值和现实意义。首先，本文分析并确立了脑起搏器植入电路系统与MRI兼容性的关键问题：一是MRI静磁场对开关电感变换器中磁性器件的饱和效应；二是开关电感变换器中的磁性器件引起的力、扭矩和MRI图像伪影问题；三是MRI射频场在脑起搏器导线上引起的感应电压。基于上述结论，本文针对MRI静磁场对开关电感变换器中磁芯电感的饱和效应，研究了MRI静磁场对脑起搏器植入电路系统的影响。采用时域电路分析和Pspice电路仿真的方法，分别从器件电流、输出电压和功耗三方面分析了磁芯电感饱和对开关电感变换器的影响，进而确定了磁芯电感在MRI静磁场中正常工作的边界条件，并通过体外实验证明了该边界条件的正确性。只要开关电感变换器中的磁芯电感满足该边界条件，脑起搏器可实现在MRI静磁场下安全开机。其次，对开关电感变换器中的磁芯电感进行了优化设计，减小由其引起的力、扭矩和伪影问题，以获得更好的MRI兼容性。在电感绕组固定不变的前提下，本文采用回型磁芯结构代替传统的I型磁芯结构，并采用纳米晶磁性材料代替传统的铁氧体。实验结果表明，新型磁芯电感在满足上述边界条件的基础上，磁芯体积比传统电感磁芯体积减小了82%，力减小了54%，伪影减小了48%，为MRI环境下植入电路系统的优化设计提供了解决方案。最后，本文研究了MRI射频场对脑起搏器植入电路系统的影响。为解决多场耦合的测量问题，对MRI射频感应电压的测量方法进行了研究，研制了MRI射频感应电压测量装置。该装置从电路结构和电磁屏蔽等多方面进行了优化设计，实现了MRI下射频感应电压测量的高精度和高灵敏度。基于该装置的实验测量数据，分析了射频感应电压对脑起搏器植入电路系统的影响通路及效应，为MRI射频感应电压对植入电路系统影响的评估，以及采取相应的抑制措施提供理论依据。	访问
脑深部刺激电极定位方法研究	李波	2017.05.26	脑深部刺激是一种有效地治疗帕金森病的外科疗法，其疗效与电极能否植入到丘脑底核功能区内密切相关。通常，外科医生通过手工方法确定植入区域和靶点位置，能否采用计算机辅助方法一直是这个领域密切关注的问题，本文研究了丘脑底核的自动定位算法，通过术前靶点自动分割和定位以及术后电极位置评估等系列工作对靶点定位问题展开系统化研究，为临床实践提供准确、可靠、有效的定位方法。首先基于患者术前核磁图像实现了丘脑底核的半自动分割，为靶点自动定位提供了技术支持。在与传统方法比较基础上，本文采用窄带限制的水平集方法完成了丘脑底核分割，并讨论了核磁图像失真、循环终止条件及不同初始轮廓曲线对分割结果的影响，验证了该方法的有效性和鲁棒性。其次，基于核磁图像中核团间位置关系提出了丘脑底核的自动定位方法，目的是帮助外科医生术前有效地定位靶点，制定最佳的手术方案。在前章方法的基础上，结合最大似然估计实现对核团轮廓的自动描绘。在自动描绘的基础上，结合核团的形态特点，采用隐式样条曲线方法实现了核团三维重建，有助于定位的可视化。最终结合丘脑底核与红核间位置关系实现了核团的自动定位。通过对比专家定位与自动定位靶点到标准靶点距离，发现自动定位方法与专家系统定位方法没有显著差异，并且具有较小的预测误差，表明了该算法的有效性。最后，手术定位的术后评估是对定位精度的最终判断标准，通常是采用术后核磁成像，本文提出了利用术后核磁图像中电极伪影估计电极位置的新方法。手术定位的术后评估是对定位精度的最终判断标准，通常采用术后核磁成像进行电极位置的评估。本文从植入角入手，建立了电极周围磁场分布的模型，根据MRI空间编码过程计算基于植入角度的电极伪影，利用术后核磁图像中电极伪影实现了电极位置的估计，有助于外科医生利用术后靶点位置研究疗效最佳的刺激靶点，指导医生选择最佳的植入角度和程控，获得最好的植入效果。通过电极伪影实验和在体实验的核磁图像的分析，数据表明该方法可以测量电极在丘脑底核中的位置，并具有较小测量误差。	访问
脑深部电刺激导线的磁共振射频感应致热问题研究	莫晓龙	2017.05.26	脑深部电刺激(DBS)方法对多种神经系统相关疾病具有良好疗效，也是迄今为止可以直接接触大脑深部组织并干预脑深部神经活动的主要技术手段。磁共振成像(MRI)技术对于大脑的结构和功能成像具有优越性能。这两种技术的结合对脑疾病的诊断、治疗及脑科学研究具有重要意义。但这两种技术之间的兼容性问题阻碍了它们的结合应用。尤其是DBS导线与MRI射频磁场相互作用所致的电极触点射频感应发热问题对植入DBS的患者带来了安全隐患，以致无法安全地进行MRI扫描。因此，解决DBS电极触点的MRI射频感应发热问题，成为了本文研究的目的和重点。本文深入研究了植入式导线在MRI射频磁场中的发热原理和规律。基于偶极子天线模型，通过数值模拟计算和体外实验验证分析了导线结构和尖端射频感应致热之间的关系，发现并证明了屏蔽层导线与裸露导线在天线性能上的等效性，提出使用良导体屏蔽层抑制导线尖端射频感应致热的方法。本文选用金属丝编织网作为DBS导线的屏蔽层，开展MRI相容DBS导线研发工作。通过体外实验证明金属网对电极触点发热具有良好抑制效果，具体分析了材料电导率、网格密度、连接方式等对抑制效果的影响。此外，分析了金属网疲劳性能的影响因素，采用热处理方法改善金属网的疲劳性能使其寿命提高至大于107。基于Pennes生物传热方程，对体外实验中DBS电极触点附近的射频感应温升规律进行研究，发现系统中一点温升与另一点电流密度平方之间的线性关系。据此提出判断温升数据测量可靠性及预测长时温升的新方法，实验证明该方法可行。本文的机理研究和技术验证为解决DBS和MRI组合应用的关键技术难点奠定了基础。本文基于此开展了体外验证和动物试验，证明在常规采用的1.5T和3T MRI环境中，电极触点的射频感应发热得到有效抑制。和现有的DBS装置相比，体外实验中的电极触点温升降幅在1.5T和3T MRI中分别可达88.0%和89.2%；在动物试验中，电极触点温升降幅分别为68.3%和42.9%。在取得可靠安全性前提下，MRI相容DBS导线进入了临床应用，分别在北京天坛医院、北京协和医院和山东大学齐鲁医院对首批10名入组患者完成植入手术。术后1个月的随访情况表明，搭配该型导线的MRI相容DBS系统既保持了原有的治疗功能，又可同时安全进行MRI扫描。该项新技术未来将惠及更多的医疗工作人员和患者，并为进一步开展脑科学研究提供了新的技术平台。	访问
迷走神经刺激对癫痫患者心脏自主神经功能的影响	刘洪运	2017.05.26	目前全球癫痫患病人口已经超过6500万，其中30%-40%为药物难治性癫痫。药物难治性癫痫患者常伴有不同程度的心脏自主神经功能损伤，但既往相关研究的结论不相一致、甚至相互矛盾。而迷走神经刺激作为治疗药物难治性癫痫的辅助技术，虽然在临床上取得了广泛的应用，但迷走神经刺激的急性、长期心脏自主神经功能效应仍不清楚。此外，迷走神经刺激治疗癫痫的疗效存在极大的个体差异，很大程度上阻碍了迷走神经刺激疗法的临床推广。本文主要基于心电信号评估药物难治性癫痫患者的心脏自主神经功能及其急性、长期迷走神经刺激效应，在此基础上探索个体化刺激参数设计方法和迷走神经刺激治疗癫痫的疗效预测因子。首先，在传统心率变异性分析方法的基础上，结合相位整序信号平均、多尺度熵方法，分析了70例药物难治性癫痫患者和50例健康对照的24小时动态心电信号，结果表明药物难治性癫痫患者的心脏自主神经功能受损，主要表现为交感神经和迷走神经张力的减弱和心率复杂度的降低。此外，药物难治性癫痫患者的心率变异性昼夜节律被整体抑制，这种心脏自主神经功能失调的情况在夜间表现的尤为突出，可能与夜间癫痫猝死的高发生率有关。其次，基于32例接受迷走神经刺激手术的药物难治性癫痫患者术前基线和术后12个月以及32例健康对照的24小时动态心电信号，研究了长期迷走神经刺激的心脏自主神经功能效应，揭示了迷走神经刺激在治疗癫痫的同时，一定程度上逆转了药物难治性癫痫患者原本损伤的心率复杂度，改善了心脏自主神经功能。而不同参数迷走神经刺激的急性心脏自主神经功能效应研究结果表明，电流幅度与迷走神经刺激引起的心率变异性参数的变化量呈显著正相关。最后，基于32例药物难治性癫痫患者急性、长期迷走神经刺激的心脏自主神经功能效应，发现了迷走神经刺激疗效与心率复杂度改善及心率变异性指标变化量的关系，为迷走神经刺激治疗癫痫的机制提供了新的线索，也为个体化刺激参数选择提供了客观依据。此外，本文首次提出了基于术前心电信号的迷走神经刺激疗效预测因子，并验证了其可行性，为临床迷走神经刺激手术适应证患者的筛选提供了客观的依据，有利于提高其整体临床疗效。	访问
植入式陶瓷馈通关键技术研究	张大康	2017.05.26	有源植入医疗器械已经成为临床治疗某些药物难治性疾病的重要手段，如心率失常、帕金森病、癫痫、听觉障碍等。馈通是有源植入医疗器械封装的核心元件，是保证其密封性的关键所在。本文研究了适用于可植入医疗器械的陶瓷馈通制造技术。研究中所选用的材料均具有生物相容性，并且在美国FDA批准的植入设备中已有使用历史。 在广泛调研国内外研究现状的基础上，本文首先突破了陶瓷金属化技术。采用磁控溅射技术进行陶瓷金属化，运用多种方法对金属化层的表面及界面进行了表征，并对金属化层的种类、厚度等关键参数进行了验证。 钎料良好的润湿母材是成功钎焊的前提，本文重点研究Au-Ti和Au-Nb润湿体系，设计了对比实验研究加热温度和保温时间对润湿体系的影响，并对润湿表面和界面进行了表征。结果表明：在一定范围内提高加热温度和延长保温时间可以提高钎料在两种材料上的润湿和铺展的能力；反应性润湿后产生了金属间化合物，显示润湿良好，但有的金属间化合物是脆性相，是不希望产生的。 进一步，在连接温度为1068℃，保温时间5分钟的工艺参数下用纯金钎料对氧化铝陶瓷和钛法兰、铂导线进行了钎焊。结果表明钎料填缝均匀，钎焊接头的各界面处有连续、致密的反应层。在后续的陶瓷馈通性能检测中，对其密封性、温度冲击、机械耐久性、绝缘电阻等进行了检验，以验证本文研究方法和工艺的可行性。 本文工作包括问题提出，需求分析，工艺研究，产品设计与制造，性能检测等方面，所完成的成果可用于有源植入医疗器械，具有重要的价值。	访问
微小型化的有源植入式神经刺激器电路关键技术研究	胡宇星	2017.12.22	神经调控方法在脑深部刺激、脊髓电刺激、迷走神经刺激等方面得到了越来越广泛的应用，其临床效果已得到业界的广泛认可。植入神经刺激器的小型化一直是技术追求的目标，其价值不仅仅在于微创植入带来的临床需求，还在于临床需求要求提供更加复杂的功能，如何提高空间的利用效率成为矛盾的核心。本文研究从植入电刺激安全性角度分析了电路小型化设计的限制因素及对应的边界条件，提出对应的刺激电路及配套的升压电源电路芯片级解决方案，并通过电路仿真及芯片流片后的测试数据验证了电路小型化方案的可行性。主要的工作如下所述：（1）从刺激安全性角度，研究分析影响电路小型化的主要因素与主要矛盾，基于电极-神经组织界面模型，结合神经组织安全性指标，采用仿真的方式，量化电荷误差边界，对现有电路系统难以实现小型化的限制因素做定性分析；（2）研究了通过电路结构的改变实现特定电路性能指标的方式。通过系统级策略优化、电路理论分析、电路仿真等手段，提出一种能够有效解决刺激安全性的两相电刺激解决方案，用芯片设计实现了这一设计，并通过电路仿真与界面电学模型以及流片后的芯片测试验证上述方案的可行性。（3）研究了刺激器电源部分供电需求，提出一种适配性强的升压电源解决方案，用电源结构优化的芯片设计实现了有限体积下的超低功耗，并通过电路仿真、后续芯片测试验证设计的可行性。 测试结果显示上述两款芯片具有更加优良的性能指标，可以用于未来的植入刺激器系统。	访问
长期脑深部电刺激对基底节局部场电位的调控作用	陈玥	2018.12.21	脑深部电刺激（Deep brain stimulation, DBS）作为临床应用最广泛的神经调控技术之一，在全球老龄化问题日益严重的现实下，具有重要的临床价值。然而，人们至今对其调控机制的认识并不完全。主要原因是人脑的复杂性和特殊性，导致现有研究缺乏直接的、长期的电生理或生物影像数据，来进一步说明DBS究竟如何恢复了受损大脑的功能。清华大学神经调控技术国家工程实验室经过长期努力，成功研发具有同步记录功能的DBS系统。该系统通过对DBS靶点——基底节的局部场电位进行监测，为揭示DBS的长期调控作用提供了有效的研究工具。这是本文研究工作的基础。基于这一技术，本文从电生理的角度出发，针对DBS的长期调控作用开展了深入的研究工作。首先，本文针对长期、植入、同步电刺激这一特殊的信号采集条件，明确了LFP信号中各类噪声的来源、特点以及去除方法。其中，重点分析了同步采集研究中常遇到的亚谐波成分，通过实验验证了其噪声的本质，完善了获取有效的局部场电位的方法。进而，利用具有同步采集功能的DBS设备，对清醒状态的帕金森病患者基底节局部场电位进行术后1、3、6和12个月的跟踪记录，研究了DBS对病理性Beta节律的调控，结果显示相同刺激强度下的抑制作用随时间显著降低。通过建立模型，清楚地解释了DBS电生理调控作用与临床改善程度之间的关系，并明确了DBS长期调控方式由高Beta频段向低Beta频段迁移的规律，表明DBS对低Beta频段的调控可能是长期的起效机制。同时，辅助同步睡眠监测手段，对睡眠状态帕金森病患者基底节局部场电位进行跟踪记录，研究了不同睡眠阶段下的节律特征，验证了其在长期范围内的一致规律，明确了DBS在不同睡眠阶段下的长期调控作用。最后，本文系统性地验证了上述基底节的节律特征是清醒/睡眠状态长期、可靠的生物标记。在此基础上，成功研发了全植入式闭环DBS系统，并初步验证了临床可行性，推动了闭环DBS设备走向临床应用。	访问
基于HRV分析的VNS疗效预测过程算法研究及软件实现	曲薇	2018.05.26	本文根据能够反映药物难治性癫痫患者自主神经功能状态的HRV分析指标以及表征心率复杂性的MSE分析指标的VNS术前基线值与VNS术后疗效相关的基本结论，进行了基于HRV分析的癫痫患者VNS术后疗效预测过程的算法研究与软件实现。首先，介绍了ECG数据预处理的方法，实现多种格式的24小时ECG数据的一次性读取。从检测速度和准确率两个角度，采用四种不同的算法：滤波-差分-阈值检测、快速算法、改进的滤波-差分-阈值检测、支持向量机（SVM）进行R波自动检测。为实现软件的自动化，对于4h清醒状态RR间期进行了自动检测的研究。其次，为了基于HRV分析评估自主神经功能并建立其VNS术前基线值与VNS术后疗效的关联，对包括时域分析、频域分析、非线性分析等在内的传统HRV分析方法进行了探讨，并对能够反映心率复杂性的MSE分析方法以及能够分别表征迷走神经和交感神经张力状态的PRSA分析方法进行了研究。利用上述多种HRV分析方法得到的指标，将能够对VNS术后是否有疗效进行显著区分的指标RMSSD、SD1、Area 6-20day作为疗效预测因子，构建了VNS疗效预测模型。最后，将上述算法研究成果集成，设计并开发了基于HRV分析的癫痫患者VNS疗效预测软件（HRV Analysis for VNS，简称HRVAFV）。论文研究成果能够帮助医生对VNS术前适应症患者进行快速准确的自动化筛选，从而间接提高VNS临床疗效，有利于VNS疗法推广。	访问
基于运动学和表面肌电信号的帕金森患者步态定量研究	蔡宗延	2018.05.30	姿势步态障碍是帕金森病主要临床表现中致伤、致残最严重、最频繁的一种症状，严重影响了患者的正常生活。目前对于帕金森患者步态障碍的研究与治疗主要聚焦于冻结步态症状，对于其他较轻程度的步态障碍表现缺乏关注。此外，当前研究侧重于运用信号特征预测患者的患病情况、服药状态以及刺激状态，对步态障碍的精确诊治没有直接帮助。本文基于对运动学和表面肌电信号的分析，探究了帕金森患者轻度步态障碍的生理特征与治疗方法，并结合信号特征与量表评分为步态障碍的诊治提供参考。本文完成的主要工作与创新点包括：首先，本文提出了基于运动学信号提取步态试验直行过程的批处理方法，并进一步利用陀螺仪实现直行过程中的步态周期划分。在此基础上，采用时域分析提取了11个运动学特征与4个表面肌电特征，用于探究信号特征随步态障碍进展的变化趋势。结果显示，共有14个特征与步态评分呈现出显著的单调关系。其次，本文对比了低频、高频以及变频刺激对帕金森患者步态障碍的改善效果。按照刺激状态对所有特征进行统计，有12个特征表现出了显著的组间差异。结合特征随步态障碍进展的变化趋势，发现三种刺激频率均能有效改善步态障碍，其中高频刺激治疗效果最好，低频刺激次之，变频刺激再次之。此外，本文分析了慌张步态患者的步态行为，并基于支持向量机（support vector machines, SVM）完成了慌张步态识别实验。慌张步态样本数显著少于非慌张步态样本，采用BC（box constraints）法与SMOTE（synthetic minority oversampling technique）法对不平衡数据集进行处理。结果显示，BC-SVM分类器的敏感性为100%，特异性为98%；SMOTE-SVM分类器的敏感性与特异性均为100%，两者分类效果相当。最后，本文完成了非慌张步态患者的步态识别实验。同样采用BC法与SMOTE法处理不平衡数据集，结果显示SMOTE-SVM分类器的效果明显优于BC-SVM，在各二分类问题中的分类准确度均高于98%。在此基础上，对比了运动学特征与表面肌电特征各自对非慌张步态患者步态识别的效果。结果显示，以运动学特征作为输入的SMOTE-SVM分类器效果更好，分类准确率高于97%。	访问
磁共振环境下脑起搏器的兼容性研究	万森	2019.05.31	脑深部电刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）是一种对多种神经系统疾病有良好疗效的治疗方法，也是目前唯一能够直接干预脑深部神经活动的技术手段。脑深部电刺激器也称为脑起搏器，是一种有前景的研究脑科学的工具。磁共振成像（MRI）是一种广泛应用于临床检查的技术，成像过程无创且无电离辐射，同时也是常用的脑科学研究工具。将脑起搏器与MRI结合起来对于研究DBS的作用机制以及脑科学研究具有重要意义。保证植入脑起搏器的患者在MRI扫查情况下安全以及MRI图像质量，是两者联合进行脑科学研究的前提。随着对脑起搏器磁共振兼容问题认识的深入，当前的标准和规范已无法涵盖所有问题。本研究对MRI与脑起搏器之间的相互作用进行分析，提出磁共振兼容脑起搏器的三个关键问题：（1）脑起搏器在MRI下射频感生电场的电效应，（2）MRI射频致热评估，（3）脑起搏器对MRI图像质量的影响。本研究首先对射频感生电场的电效应问题进行理论分析。通过研究刺激、记录电极的几何特征，分析了电极几何参数对射频感生电场强度的影响规律。直径更小的锥形电极周围的射频感生电场能够达到引起细胞膜穿孔的限度，这种风险应该引起重视。基于这一发现建立了电极设计准则。通过测量脑起搏器电极在3.0 T 磁共振扫查情况下的射频感生电场，发现典型脑起搏器电极的射频感生电场不足以引起细胞膜穿孔效应，并通过动物实验对这一结论进行了验证。射频致热风险是植入脑起搏器的患者进行MRI扫查面对的最大风险。本研究提出了采用电极路径周围局部射频场（B1）均方值预测温升的方法，通过理论推导发现了局部B1均方值与稳态温升之间的线性关系，并通过数值计算以及体模实验验证了该关系。脑起搏器开机状态进行MRI扫查，刺激信号成为新的干扰源。本文研究了脑起搏器刺激电流对功能磁共振（fMRI）的影响，发现该电流不足以引起fMRI图像质量的显著变化。但是发现脑起搏器开机与关机的切换会导致噪声。原因是不同电路连接方式下，MRI射频场在脑起搏器电极中感生电流的幅值不同，导致电极周围B1差异。通过体模实验进行B1测量分析验证了这一理论。修改脑起搏器刺激程序，使两种工作模式下脑起搏器电路连接方式保持不变，该噪声被去除。该方法应用于磁共振兼容脑起搏器导线的临床试验中，为获取高质量fMRI、进行DBS与fMRI联合研究奠定了基础。上述研究为研制磁共振兼容的脑起搏器提供良好的设计、测试理论以及实验基础，为后续工作铺平了道路。	访问
有源植入式医疗器械低功耗数据链路与植入式天线研究	冯源	2020.05.23	植入式无线通信技术是有源植入式医疗器械的核心技术之一。随着植入系统网络化、小型化，低功耗、高速率的植入式无线通信技术成为当前研究热点。植入式射频通信技术在数据传输速率、可靠连接距离上具备优势，是植入式无线通信技术发展的先导技术。人体组织对植入式天线性能的影响，将导致植入式射频通信链路效率降低，影响系统功耗。这是实现低功耗植入式射频通信的主要挑战。针对人体组织对有源植入式医疗器械天线性能的影响问题，本文以神经电刺激器为研究对象，采用数值模拟、实验测试方法，研究了人体组织对神经电刺激射频通信天线链路效率的影响规律，为神经电刺激器小型化、高效率植入式天线设计提出了较系统的解决方案：（1）人体组织中植入式天线小型化、链路效率设计的本质是人体组织作为介质加载情况下的天线阻抗、增益、极化特性设计，本文构建了人体植入式天线数值模拟环境，归纳了植入式天线研究方法，搭建了神经电刺激器植入式天线研究平台，为神经电刺激器天线及其临床应用提供了设计、测试方法与技术。（2）将双模式天线应用于神经电刺激器植入式天线设计，并提出阻抗协同匹配设计方案，解决了神经电刺激器植入式天线在高介电系数比的两种人体组织中的调谐问题。相比传统的神经电刺激器天线，优化设计后的G102RS型号神经电刺激器天线，在肌肉组织中的链路效率提升了11 dB。（3）将可调匹配电路应用于神经电刺激器植入式天线调谐，并提出了植入式可重构匹配天线设计方案，系统性地解决了在复杂人体组织中，植入式天线调谐难题。采用可重构匹配设计的神经电刺激器天线，链路效率提升了6~12 dB。（4）将微带天线应用于神经电刺激器植入式天线设计，不仅解决了神经电刺激器高增益、圆极化天线设计问题，而且针对微带天线临床应用中存在制造问题，讨论了工艺设计方案，为神经电刺激器微带天线的临床应用提供了技术指导。基于上述研究，人体组织中植入式天线阻抗匹配优化设计方案已应用于G102RS型号神经电刺激器403 MHz天线设计。神经电刺激器植入式天线测试方法与技术，已应用于G122R型号神经电刺激器2.4 GHz单极子天线的临床测试与优化设计。采用植入式微带天线方案的神经电刺激器正在开展研制。	访问
癫痫儿童心率变异性昼夜节律与迷走神经刺激相关性研究	邓进	2020.05.20	我国儿童癫痫的年发病率约为15.1/万人，其中30%左右无法用抗癫痫药物控制，为难治性癫痫。癫痫患者的自主神经系统功能受损，影响心脏活动，心率变异性昼夜节律扁平。儿童癫痫不仅影响身心健康，其频繁发作更不利于患儿的生长发育和生活技能学习，尤其是处于快速发育期的3-6岁学龄前儿童，因此治疗、控制癫痫发作尤为重要。迷走神经刺激能够控制部分难治性癫痫的发作，但疗效个体差异大，疗法的临床推广和进一步发展受到一定限制。本文从3-6岁儿童癫痫的心率变异性昼夜节律出发，研究迷走神经刺激的影响；针对疗效不同的患儿，探寻迷走神经刺激影响心率变异性昼夜节律的不同模式，希望以相关发现为基础，支持迷走神经刺激的疗法研究。首先，分析了46名3-6岁健康儿童的24小时心电数据，结果表明健康儿童的心率变异性昼夜节律呈现夜间高、白天低的特征，验证了儿童心率变异性昼夜节律的存在。同时，对92名同年龄段难治性癫痫患儿的研究显示，其昼夜节律相对于健康儿童有显著的数值降低、扁平化现象，尤其是夜间差异巨大，但评估迷走-交感神经功能平衡性的指标并没有显著改变；难治性癫痫患儿的自主神经功能受损，但仍处于相对平衡的状态。其次，对接受迷走神经刺激治疗的92名患儿，分析研究其术前与术后26周不同访视期采集的共6次24小时动态心电进行。结果表明，迷走神经刺激植入术短期内使得儿童的心率变异性昼夜节律严重降低，显著低于术前水平，此抑制效果在8周时间内快速恢复至略高于术前水平。此后，迷走神经刺激持续修复患儿心率变异性昼夜节律，26周随访结果显示相比术前有显著提高，且恢复了部分节律变化细节，但整体上与健康儿童仍有显著差异。进一步地，针对迷走神经刺激疗效不同的患儿，分组对比其在迷走神经刺激下的心率变异性昼夜节律变化情况。发现“癫痫发作完全控制”的患儿，心率变异性昼夜节律术前水平显著高于其他患儿，但26周后与其自身术前相比无显著变化；“癫痫发作没有改善”的患儿，26周后心率变异性昼夜节律反而有了显著改善。这一发现不仅为术前筛选疗效佳的患者提供了客观依据，也为迷走神经刺激控制癫痫发作的机制研究提供了新的思路。	访问
脑起搏器电极磁共振热安全性研究	丁建琦	2020.07.10	脑起搏器（Deep brain stimulation, DBS）是一种有效的脑疾病疗法与脑研究工具。它与磁共振成像（Magnetic resonance imaging, MRI）这一目前最流行的脑成像手段之间存在应用冲突，表现为DBS中的金属电极会吸收MRI中的射频磁场（B1）能量，使局部脑组织的温度升高（ΔT）带来热安全隐患。因此，确定DBS电极在脑内的温升水平，是保证植入者能够安全接受MRI检查的基础。目前对该问题的研究，在规律探索上，多局限于电极结构改进等方面，缺少对MRI线圈的关注；在温升评估上，虽已有传递函数法可对部分植入物的温升进行估计，但尚未有研究者应用于DBS电极，且往往局限于单一工程问题，对个中特性的把握不足。本文针对这一现状，在线圈对MRI温升的影响及规律研究、保证DBS电极热安全的MRI扫描条件的确定、传递函数法在拼接导线中的快速应用等方面开展工作，取得的主要结论及创新点如下：1） 搭建并验证了MRI温升评估的数值计算平台，发现了不同尺寸的线圈下，B1、电场、ΔT等物理量各自具备的分布相似性，提出并证明了以小区域的B1制定MRI安全扫描条件的优势，建立了升温过程的数学表述，论证了在电场分布相似时可由一点电场确定温升；2） 对多种植入环境下传递函数预测温升的方法有效性进行了验证，应用传递函数法得到了DBS电极在人体植入时的温升，设立植入路径的随机选取方法，统计了大量植入情形下的温升，确定了可保证DBS电极温升在阈值以下的MRI扫描条件；3） 推导并提出了两段拼接导线中各段传递函数的构成特征，创建了由已知的独段导线的传递函数，合成未知拼接导线的传递函数的理论方法，以数值计算及实验测量两种方式，分别对所建立的拼接合成理论进行了有效性的验证。以上工作在对DBS电极MRI温升规律的把握，以及热安全性评估方法的规范、优化等方面有着借鉴作用和现实意义。	访问
基于 PD 患者 PSG 数据的睡眠脑电分析和自动分期方法研究	李想	2021.05.25	睡眠是人类至关重要的生命活动，睡眠问题可能会引发各种身体和精神类疾病。睡眠障碍是帕金森病（Parkinson’s disease, PD）患者常见的非运动症状之一，严重影响了患者的生活质量，因此PD患者的睡眠研究具有重要意义。睡眠分期是睡眠研究的基础，目前关于PD患者的自动睡眠分期研究较少。脑深部电刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）技术是目前临床上治疗难治性PD的一种有效方法，可以有效改善患者的运动症状，但DBS技术能否从客观上改善睡眠目前仍没有定论。基于这一背景，本文对已完成DBS植入的PD患者的睡眠监测数据展开了探究。首先，对PD患者进行了睡眠脑电特征分析。使用多窗谱法进行功率谱估计，提取了一组有效的分类特征集，并对文献中的方法进行了部分改进，实现了纺锤波、K复合波和慢波的提取。在此基础上，对不同通道、PD患者与健康人和DBS植入不同时间后睡眠脑电的频谱和纺锤波特征进行了对比分析，发现了PD患者存在 波段的额叶优势；与健康人相比，PD患者清醒期 和 波功率更低；但随着DBS植入时间增加，清醒期的 波功率和睡眠期的 波功率会增加，且大部分患者的纺锤波峰峰值升高。然后，基于提取的分类特征集进行了自动分期方法研究，设计了一个支持向量机（Support Vector Machine , SVM）多分类器，并加入了启发式规则进行分类结果的修正。测试结果表明，当睡眠分期分辨率为5s/epoch时，分类器总平均准确率达到82.5%。最后，设计了一个基于睡眠自动分类器的图形用户界面（Graphical user interface，GUI），对前面研究工作进行了集成，能够实现数据可视化、数据预处理、脑电分析和睡眠自动分期等功能。综上，本文一方面探究了PD和DBS刺激对睡眠脑电的影响，另一方面基本实现了基于PD患者PSG数据的睡眠自动分期，但分类器的泛化能力还有待进一步提高，未来可以从睡眠的连续性信息方面寻找更优的启发式规则，对于不同样本巨大的差异性，如何从根本上提高整体的泛化能力或许将是未来睡眠自动分类器能否广泛应用的关键。	访问
基于心率变异性的癫痫迷走神经刺激疗效预测研究	方茜	2021.05.25	本文针对迷走神经刺激治疗药物难治性癫痫疗效个体差异极大的问题，基于患者术前的心电信号分析心率变异性指标并作为特征向量，后采用机器学习方法实现了癫痫患者术前的迷走神经刺激疗效预测，进一步通过特征选择在评估不同指标对疗效重要性的同时提高了模型预测性能，并探索了不同年龄和昼夜环境下患者术前心率变异性的差异以及对预测性能的影响。首先，介绍了迷走神经刺激疗效的影响因素以及心电信号、心率变异性和自主神经系统三者之间的关联，为了探讨临床上心率变异性对癫痫患者心脏自主神经功能的评估作用，从定义、计算方法以及生理意义等方面阐述了心率变异性的时域、频域和非线性指标。其次，分析了131例药物难治性癫痫患者的人口统计学信息、影像检查结果以及癫痫发作特征等临床资料，并基于术前心电预处理结果对比了患者分别在昼夜4小时的心率变异性及其与迷走神经刺激疗效的相关性，发现睡眠状态下与疗效显著相关的心率变异性指标远高于清醒状态，表明睡眠期间的心电记录能够提供更有效的疗效预测因子，揭示了心率变异性的昼夜节律与迷走神经刺激疗效之间的潜在关联。最后，基于单变量筛选和全变量子集迭代两种特征选择方法，分别在不同年龄的患者群体中评估了睡眠和清醒状态下心率变异性指标与迷走神经刺激疗效的相关性，根据相关性大小的排序结果在随机森林模型上实现了迷走神经刺激疗效预测，并进一步探究了不同心率变异性特征组合、年龄和昼夜状态对于疗效预测性能的影响。本文首次提出基于机器学习方法和术前心率变异性指标的迷走神经刺激疗效预测模型，有助于为术前筛选手术适应症患者提供客观依据，深入对迷走神经刺激治疗癫痫机制的理解。	访问
基于可采集脑起搏器的全植入式脑-机接口研究	关凌霄	2021.05.25	脑-机接口（Brain Computer Interface, BCI）技术得益于计算机、通信、传感器等技术的迅猛进步，在过去的几十年里发展迅速。脑-机接口通过建立神经系统与设备的交互通路从而起到替代、修复、增强、补充及改善作用，特别是给行动障碍的患者带来了希望与便利。脑深部电刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）疗法是治疗帕金森病的一种重要治疗方法。在可采集深脑部局部场电位（Local Field Potential，LFP）的脑起搏器植入的背景下，借助这一全植入设备实现脑-机接口功能则不仅可以帮助患者改善生活，更可以加深对大脑的认识。首先，本文分析了实现基于深部信号脑-机接口功能当前所具备的条件，在此前提下，根据脑-机接口实现所需要进行的数据采集方式，设计了植入设备与外部采集装置不同采集设备间的数据同步方法。并且，在体外同步测试中发现，由于采样率误差带来了一定的同步误差。针对采样率误差大的问题本文提出了两种改进方案：①从硬件设计上提高同步精度；②从软件上提高了同步精度。最终两种方法的同步误差均控制在了类似同步商用设备的误差量级，为数据的进一步分析提出了可能。其次，为便于将数据进行在线处理（区别于离线分析），开发了基于MATLAB（MathWorks Inc）的在线采集平台，并设计了图形用户界面。通过该项工作将脑深部LFP数据实时开放到MATLAB平台，并且通过在线分析模块实现了对数据进行实时时频分析、实时特征提取等功能，并预留了数据接口供二次开发。该工作为数据的实时分析以及使用MATLAB强大的各类工具箱创造了可能，也为脑-机接口实现搭建了上位机分析平台。最后，本文利用采集平台与数据同步方法，在抬手运动的实验范式下，对行为运动信息及LFP数据进行了采集。使用小波变换的时频分析方法对数据的特征进行了计算以及分析。结合小组的工作，设计并优化了基于支持向量机（support vector machines, SVM）、隐马尔可夫模型（HMM）以及启发式规则修正的在线分类器。在解决了特征在线计算的问题后，首次实现了基于深部LFP信号的全植入式的脑-机接口对抬手运动识别的功能，验证了可采集DBS拓展为全植入式脑-机接口的可行性。	访问
脑起搏器磁共振射频致热的在体监测方法研究	张锋	2021.05.25	脑深部电刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）又称脑起搏器，是治疗多种脑疾病的有效疗法和开展脑科学研究的强大工具。磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是临床最重要的成像手段之一，DBS与MRI结合具有重大的临床价值和科研意义。然而DBS在MRI下存在诸多兼容性问题，其中电极的射频（Radio Frequency，RF）致热是最主要因素。由于直接威胁着患者的健康安全，电极RF致热风险严重限制了DBS在MRI下的应用推广。电极RF致热过程受到多方面因素影响，规律复杂，而且个体差异大，因此在MRI下监测电极温升尤为重要。基于质子共振频率（Proton Resonance Frequency，PRF）的磁共振测温法是MRI下重要的无创温升监测手段，应用前景广阔。但该方法面临电极干扰PRF测温信号、测温与常规扫查序列时间不同步以及如何可靠衡量RF致热风险等问题，为温升监测和安全性评估带来巨大挑战。为此，本文主要做出了以下工作：首先，电极引发的静磁场和射频场干扰是造成MRI伪影的重要因素，本文基于对电极周围的PRF测温信号的模拟和重建，发现电极引发的静磁场干扰是影响PRF信号的主要因素。进一步地，本文分析并验证了伪影下PRF信号的统计模型，利用统计特性，有效识别出了电极周围可靠的测温区域。其次，本文构建了能够克服伪影干扰，反求电极表面温升的解决方案。利用PRF信号的统计模型和模拟传热过程，将温升反求问题转化为模型参数估计问题，提出了基于极大似然估计的电极温升反求和不确定度评估方法。与传统的直接拟合相比，本文提出的新方法能使温升反求误差降低50 %以上。最后，针对电极RF致热在体监测的实际应用场景，本文提出了射频致热的小温升检测方法，能够在热损伤出现前检测出电极温升，提升了RF致热风险评估的可靠性。进一步地，提出了基于降温段测温数据的温升反求，解决了测温与扫查序列不同步问题。进而，利用动物试验证明了上述方法在活体内的可行性。最终成功应用于3.0 T磁共振兼容脑起搏器临床试验，保障了患者安全。本文的研究工作为DBS在MRI下的应用提供了安全反馈和切实保障，同时也为其他植入物在MRI下的RF致热监测提供了理论和方法创新。	访问
迷走神经刺激对低龄儿童癫痫及其心脏自主神经功能研究	杨曌	2021.05.25	儿童难治性癫痫对患儿的身体精神发育危害巨大，所以越早进行干预治疗和发作控制对儿童发育越有益。迷走神经刺激（VNS）疗法作为一种神经调控技术，已被批准作为难治性癫痫的辅助治疗，并在临床上取得广泛应用。然而对于低龄儿童，VNS的有效性和安全性缺乏高等级证据的支持。难治性癫痫以及VNS疗法对儿童心脏自主神经影响的相关研究存在研究数量目少，结论不一致的问题，其中低龄儿童的研究依旧空白。VNS总体上约50%的患者的发作频率可降低50%以上，但其疗效个体差异极大。术前筛选适合VNS疗法的患者可提高VNS疗效，但已发现的疗效预测生物标记物及预测模型离临床应用还很远。本文通过一项随机对照临床试验验证VNS治疗低龄儿童难治性癫痫的效果，通过基于心率的心脏自主神经功能评估方法，研究难治性癫痫和VNS治疗对心脏自主神经功能的效应，并探索VNS术前的临床因素和心脏自主神经功能指标预测长期疗效的可能性。本文的主要工作包括以下三部分： 1、通过心率变异性和复杂度方法，分析了93例儿童难治性癫痫和46例健康对照的24小时动态心电，结果表明了低龄儿童难治性癫痫的心脏自主神经调节功能整体受到抑制，包括迷走神经和交感神经调节能力以及心率复杂度的降低。此外表征迷走神经活性的心率变异性指标可有效区分难治性癫痫和健康状态，心率变异性指标结合心率复杂度指标可提高区分能力。2、基于世界上首个VNS治疗3-6岁低龄难治性癫痫的随机对照临床试验，观测了93例患儿术后疗效，比较术前基线和植入手术后、治疗24周后的心率变异性和复杂度变化。结果表明，VNS疗法对于低龄儿童有效且足够安全，长期刺激后发作控制更佳。24周的VNS治疗可增强迷走神经与交感神经调节能力，但植入手术对心脏自主神经功能无明显的急性影响。此外，还发现了低龄儿童植入VNS术后存在“蜜月期效应”。3、基于93例低龄儿童难治性癫痫术前临床因素和心脏自主神经功能评估指标，发现了心率变异性、心率复杂度以及部分临床因素与长期疗效之间的相关性，说明了VNS治疗时间、疗效分组对预测指标的影响，得出了建立多变量预测模型以及稳定发作控制下的预测模型效果更佳，达到临床上认可预测效果的中等评价水平，为适合VNS疗法的患者筛选提供了客观量化的依据。	访问
脑起搏器电极界面和导线性能研究	申伦豪	-	-	无记录
精准 fMRI 技术探究STN-DBS 治疗帕金森病的机制	任建勋	-	-	无记录
脑起搏器电极位置识别与应用研究	何长耕	2022.07.15	近年来，脑疾病和脑科学成为研究热点，脑深部电刺激疗法作为重要的脑疾病疗法，其适应症快速增长，为越来越多的患者减轻病痛。本文从脑疾病治疗中至关重要的电极植入位置出发，探讨传统电极位置识别方法的误差来源与修正。针对基于磁共振图像的电极位置精准识别这一问题，本文结合神经网络算法进行了研究。脑深部电刺激的疗效依赖于准确的电极植入，最佳刺激靶点的研究也依赖于对电极植入位置的准确评估。传统的计算机断层扫描和磁共振图像融合的方法，假定了术前与术后的脑组织位置相同，忽视了可能存在的脑漂现象，导致术后电极位置识别出现偏差。本文基于临床试验数据，提出了全脑位移向量场分析方法，证实了患者术后脑漂长期存在，发现脑漂与偏侧化、方向性、时间效应相关，并提出了修正脑漂的方法。提高传统融合方法的位置识别精度，需要用到术后磁共振图像修正脑漂。而术后磁共振图像可以直接用于电极位置识别，这是更加理想的范式。该范式无电离辐射，无需限制扫查频次，并可以结合磁共振相容脑深部电刺激系统，有着巨大的应用潜力。然而磁共振成像的复杂特性，导致图像中出现比电极尺寸更大的低幅值伪影区域，影响电极位置的识别，且多数情况下伪影中心与电极触点中心并不重合。本文通过理论分析与体模实验研究了伪影中心偏移，发现磁共振图像直接识别电极的偏差主要位于电极轴向，影响因素主要为磁场角，且偏差值近似与磁场角二倍的正弦值成正比，由此提出电极位置识别的粗修正公式。在对于磁共振图像电极伪影规律的深入认识基础上，本文提出基于磁共振图像进行电极位置识别的新方法。考虑到传统方法难以兼顾磁共振伪影的非线性特征与伪影的动态复杂特性，而机器学习方法可以捕捉到复杂的特征。因此本文基于磁共振电极伪影模板，提出了神经网络位置识别算法。通过数据增强方法对有限的患者伪影模板进行扩增，训练出精准位置识别神经网络，最终位置识别误差平均值可达0.35 mm。本文提出的机器学习算法，相对于传统术后电极位置识别方法具有精度更高、鲁棒性更强的技术特征。最后通过疗效预测、最佳触点选择以及术后长期电极位移评估几个方面，验证了精准电极位置识别技术在临床中的应用价值。	访问
基于CT平扫图像的肝囊型和泡型包虫诊断关键问题研究	王展	2022.12.12	包虫病是一种人畜共患的寄生虫疾病，严重危害人民健康和经济发展，其多发于肝脏，主要分为两类，肝囊型和泡型包虫病。肝包虫病在诊断中主要有以下临床问题：1）缺少一个高效、快速、诊断率高的方法。2）高发区医疗资源不均衡情况严重，导致诊断不及时。3）类型多变，基于影像的鉴别诊断准确率不高。因此，需要一个快速、高效且诊断过程标准化的方法来解决上述问题。近年来，人工智能与大数据挖掘等前沿技术应用在医疗领域成为一种趋势，深度学习在影像辅助诊断中得到广泛应用。将其应用于肝包虫病诊断中，可以缓解边远地区医疗资源匮乏的问题，挽救无数患者的生命。因此，本研究从包虫病影像检查中最常用的CT入手，基于包虫病诊断中迫切的临床问题，利用人工智能方法展开了一些工作。 首先，我们发现包虫病诊疗共识中建议的多期增强 CT扫查，存在辐射剂量大、有创等局限性，结合包虫病病理生理特点，首次提出基于CT平扫图像进行包虫病AI诊断的观点，通过研究低辐射且无创的CT图像，使患者获益。为此，研究并证实了CT平扫图像用于AI诊断的可行性，分析解决同类型研究中存在的问题，构建了数据入排标准，建立了患者数大于 900 例，标注大于20000 张的CT平扫数据集，解决了同类研究样本量少，临床代表性差的问题。基于该数据集，进行了首个放射诊断医生对包虫病的临床诊断实验，为包虫病的诊断研究提供了医生诊断的真实情况及鉴别诊断的易错点，为提高临床诊断水平提供了新的思路。 其次，我们发现包虫病肝脏存在标注时间长、病灶边界模糊等的问题，利用公共数据集，通过迁移学习，构建了肝脏分割模型，最终平均 Dice 为 0.941。包虫病图像复杂且类型多变，我们发现经典分割模型存在信息冗余，通过加入注意力机制的模型，突显重要信息，最终两类包虫病灶分割的平均 Dice 分别为 0.908 和 0.807。基于包虫病面临的三个主要临床问题和同类研究中存在的“验证悖论”问题，构建了包虫病AI诊断系统，在内部及外部测试集中平均准确率为 95.5% 和 93.5%。 最后，我们发现有活性囊型包虫 CT 序列中常包含无活性图片这一临床现象，结合医生的阅片逻辑，提出一种新型的特征相融合方法对有无活性病灶进行分类， 在内部及外部测试集中 AUC 面积分别为 0.87 和 0.81。针对包虫病人工智能诊断系统中囊型包虫和肝囊肿分类不佳的问题，通过影像组学方法进行分类，在内部及外部测试集中AUC面积分别为 0.99 以上。	访问
基于ROS平台自适应远程脑卒中康复辅助训练系统	林峻弘	2022.05.19	人机交互当中提倡以人为本，并且需要关注复杂的环境情况、控制系统以及与人交互的安全性，必须能够密切的配合协调。协作式机器人具备与人安全交互的能力，并且于近年逐渐普及，未来或可成为大众家中常见的配备。根据世界卫生组织研究指出，每年有数千万人受到脑卒中的影响，而要恢复正常生活的主要方法就是透过康复运动训练。由于医疗资源与地域分配不均等问题，若是患者可在家中自行展开，卒中患者无需频密到康复中心，则可降低治疗成本和提高效率。利用机械辅助康复运动是未来的一项趋势，增加了远程控制的可行性，康复师可同时协助多位患者，减轻人力不足的问题。本研究目的在于探讨分析协作式机械臂进行远程复健训练的可行与有效性。搭建以 Robotic Operating System (ROS) 为基础的居家远程训练系统。采用计算机视觉的方案获取辅助器材定位，通过高精度传感器采集患者相关运动信息作为系统反馈。利用阶梯式触发自适应性调整方案，实时调整训练路径，速度。系统中集成表面肌电采集装置，六轴力矩传感器，协作式机械臂，深度相机以达到监测，各硬件之间流畅的信息交流及支持远程控制的目标及透过图形界面促成信息的简单读取和操控。该系统可提供多种康复训练模式。本研究采用与其余康复机械不同的夹爪做为末端执行器，配合简易的辅助器材，同时简化了准备过程，使其不止可协助大范围训练，也可支持精细的手部运动，这些都是配备其他末端执行器无法轻易完成的。使得患者可以在初期得到全面的肌肉训练，维持肌肉力量，避免挛缩，脱臼等问题为后续训练产生影响。此外，本研究中也通过利用模仿学习的控制方案，为患者找出适合自身身体素质的最佳训练路径，除了可针对患者个性化之外，也可将训练效果进一步提升，同时搭配着混合的控制策略，兼顾安全性与个性化。系统方案经过物理仿真系统 Gazebo 的验证其安全性和可行性，训练效果透过人体骨骼肌肉仿真平台 OpenSim 验证，并且配合专业医疗人员建议调整优化。本研究中的远程训练系统经自愿者验证后，训练效果均比有经验的人士指导的训练来的更加全面和更高的肌肉激活度。各硬件采集到的信息可互相作为反馈，实时调整训练方案。系统中所设计的各种安全措施也确保了训练的安全进行与舒适度，在志愿者中获得较好的反馈，充分地展示了其未来可作为远程家用康复训练系统的潜力及进一步拓展了协作机械臂的应用场景。	访问
基于人体模型的面部与步态运动障碍特征研究	朱秉泉	2023.05.23	运动是人类赖以生存的基本能力。中国社会的快速老龄化加剧了老年人群运动功能衰退研究的相对欠缺。发展一套精确描述个体运动表现和运动能力的研究方法，可以为老年人下肢步行能力丧失、神经退行性疾病面部障碍等运动功能衰退的溯源和改善提供基础，具有重要的研究价值和社会意义。基于以上问题，本文主要开展了以下工作： 针对帕金森病患者面部运动障碍的诊断需求与隐私保护的矛盾，本文提出了面部运动特征不变原则，发展了提取面部运动特征并作身份投射的深度学习方法，建立了相应的综合评价体系，实现了保留医疗诊断信息的人脸隐私保护。构建了基于面部动态相似度模块、身份提取模块和面容替换模块的身份投射模型，解耦了帕金森病患者的面部运动特征与面容身份，实现了面部运动特征不变的身份投射重建，有助于深入理解面部运动障碍，为个体面部运动障碍的评估提供基础。 帕金森病患者是运动功能障碍的特例，而健康老年群体普遍面临下肢行走能力衰退。针对其运动学衰退规律，本文通过红外光学运动捕捉与逆运动学算法，建立了中国健康老年步态与健康年轻人步态的下肢运动数据集，填补了相关空白。相比年轻对照，老年人群的步幅、步速等指标下降，髋、膝关节更屈，踝除同侧触地外更背屈，膝、踝的活动范围缩小，对侧触地时刻髋关节变为伸向运动，同侧触地时刻髋、膝关节的运动由减速变为提速，反映了老年人步态的运动学特征变化。本文也将此方法推广应用于脊髓损伤截瘫患者神经调控步态研究，为其重建健康步态提供运动学依据。 为了研究老年人群步态动力学特征变化，本文通过肌肉骨骼模型模拟不同步态运动，实现从运动学特征推断更为本质的肌肉力量与控制特征。采用计算肌肉控制法计算不同步态下肢肌肉的发力、激活和控制模式差异，也发展了深度强化学习方法研究步态动力学。研究发现老年人步态需要的高伸髋力量和高趾屈力量可能超过肌力上限，偏离能量最低原则、增加能耗，推动了对老年人步行能力衰退动力学特征变化的理解。 本文通过面部运动特征不变性研究、光学动捕步态特征分析和肌肉骨骼模型步态动力学特征分析，实现了更精确的面部与下肢步行运动描述与分析，加深了对老年人运动障碍的理解，为延缓老年人运动能力衰退提供了现实依据。	访问
肠易激综合征大鼠骶神经刺激电极研制与疗效分析	雷昌盛	2023.05.22	-	无记录
中频电场治疗脑胶质瘤的电极布局方案研究	林汲	2023.05.22	-	无记录
基于心电的闭环迷走神经刺激治疗癫痫的研究	查达祺	2023.05.22	本文针对传统开环迷走神经刺激及其磁铁模式治疗药物难治性癫痫存在的局限性，提出了基于心电实现闭环迷走神经刺激，增加对特定类型癫痫发作的电刺激，以提高迷走神经刺激的治疗效果。 本文首先采用了一种QRS波群检测算法，得到心电信号的RR间隔和瞬时心率。通过在MIT公开数据库中选取7位患者的部分性癫痫发作后心率振荡的数据进行分析，结果表明与标准RR间隔的平均误差低至0.78毫秒。同时还提出了一种基于心率的癫痫发作检测算法，并在相同数据集中发现，伴随心动过速的9次发作均被成功检测到，敏感度达100%。结果表明，QRS检测算法可以准确地检测出心率，癫痫发作检测算法具有很高的灵敏度和检测速率。随后，通过临床试验，对比不同设备同步采集下的心电信号的QRS波特征、数量，并计算RR间隔和瞬时心率，验证了闭环迷走神经刺激设备在体内心电感知功能的准确性。在自动刺激临床试验中， 5例癫痫发作时心率明显升高的药物难治性癫痫患者筛选入组，通过收集不同状态下的心电信号，对比运动和癫痫发作对于心率的影响差异，在优先保证敏感性指标的前提下，完成了患者个体最适自动刺激触发阈值的设定。植入闭环迷走神经刺激设备后，在癫痫监测单元（EMU）内仅开启自动刺激模式，记录长程视频脑电心电数据，通过对比癫痫发作的实际时间和自动刺激模式触发记录时间，发现发作检测的敏感度可达100%，但假阳性也达到1.28 次/小时。临床结果表明，基于心电的闭环迷走神经刺激具有极高的敏感性和较高的假阳性。最后，针对假阳性刺激原因，提出了结合心率变异性指标和心率平均变化率的二次判断优化算法，选用对真实发作、假发作状态具有显著区分的特征作为二次判断的依据，并设置个体最适特征和阈值，在保证敏感性不降低的前提下实现了假阳性平均降低36%，进一步提高闭环迷走神经刺激的精准干预。综上，本文工作是国内首次基于心电的闭环迷走神经刺激疗法治疗药物难治性癫痫的分析和应用，从心率检测、癫痫发作检测、自动刺激输出以及优化假阳性刺激算法四个方面实现了闭环迷走神经刺激的系统性软件设计，具有提高癫痫发作的自动化精准干预的临床价值。	访问
基于IMU的老年人与帕金森病患者运动功能监测与评估	万嘉豪	2023.05.22	因衰老导致的运动功能衰退和因疾病造成的运动障碍是导致运动失能的重大风险因素。便捷易用、高性价比的运动功能实时评估与长期监测方案对维护老年人运动健康、辅助运动障碍患者的个性化诊疗，具有重要意义。目前，针对老年人和以帕金森病为代表的运动障碍患者的功能评估仍主要依赖临床资源，无法实现规模化、及时性的评估和居家监测。本研究提出了一种基于姿态解算、机器学习和临床专家知识的实时动作姿态识别和运动功能精细化分析方法，可用于老年人和帕金森病患者的运动功能评估和监测。该方法采用嵌入通用运动手环的小型、低成本惯性测量单元（inertial measurement unit, IMU），结合机器学习和人体运动信号分析，实现实时的动作姿态识别和运动功能评估，具有较高的准确性和稳定性，可为人体日常运动功能监测提供有效途径，并可应用到一些运动功能障碍患者的诊疗辅助与康复训练中，如监测帕金森病患者运动症状进展，并为其后续治疗方案评估提供依据。本研究参照运动障碍评估量表，设计了一组运动任务，招募65名健康老年人和8名帕金森病患者进行实验。每名患者在实验前均接受了临床医生的医学评估。通过收集健康老年受试者完成各运动任务时的手腕部IMU数据、视频数据及光学运动捕捉数据，以及帕金森病患者的IMU和视频数据，建立了针对特定运动任务的多模态数据集。基于健康老年人的IMU数据，结合特征提取与支持向量机，训练实时动作姿态和运动状态识别模型，准确率达到92%，并进行了健康老年人各任务分类特征权重分析以及患者不同任务之间特征分布的显著性差异比较。基于动作时的运动信号，提取运动功能精细化分析指标，通过视频标注和三维光学运动捕捉数据验证了IMU结果的准确性。结果表明，本研究提出的方法可以有效地评估健康老年人和帕金森病患者的肢体运动控制能力，其中，患者评估结果与临床评估指标具有高度一致性。本研究为实时动作姿态识别与精细化运动功能评估提供了一种低成本、可规模化推广的可行方案，在老年人与帕金森病患者的日常运动功能评估与监测方面具有较高的实际应用潜力与价值，可为因医疗资源不足造成的评估与监测困难提供解决途径，并能为运动功能障碍患者提供更为灵活便捷的临床诊疗辅助手段。	访问
基于神经-运动生理信号的帕金森病表征方法研究	巩晨	2023.07.20	帕金森病是一种常见的神经退行性疾病，基于肢体运动信号、语音信号、深部脑电信号等神经-运动生理信号的帕金森病运动状态评估技术，为自动化、精确化的帕金森病诊疗提供了重要的工具。基于机器学习的疾病表征方法作为其中的关键环节，能够有效地表征相关疾病信息。受限于领域知识和数据规模的不足，现有的疾病表征方法存在表达能力不足、泛化性能有限等问题。本文从帕金森病的神经机制出发，深入开展了生理信号的疾病表征方法研究，从而实现了更加可靠、快速且通用的帕金森病运动状态评估，并将运动状态评估方法成功应用于帕金森病的症状量化、疾病诊断和生理状态评估等问题。本文的主要贡献有： 一、实现了基于肢体运动信号的帕金森病患者下肢运动障碍精确评估。本文从临床评估的先验知识出发，提出了下肢运动疾病表征方法，有效评估了下肢运动状态，并分析了脑深部电刺激对下肢运动的影响。针对临床评分精细度不足的问题，本文进一步提出基于离散步态障碍标签的连续值预测模型。二、实现了在日常场景下基于语音信号的帕金森病诊断评估。语音信号作为一种便于采集的生理信号，有望被用于快速地表征患者的疾病状况。本文从发声机制出发，分析了帕金森病患者与健康人的发声器官运动差异。进一步优化基于深度神经网络的帕金森病表征学习方法，针对深度表征模型在推广到大规模数据集时泛化能力不足的问题，本文首次引入自监督学习方法，通过融合同模态外部数据，实现了对临床数据的高效利用。该方法在疾病表征的表达能力和泛化性能上超过了现有方法，可用于对帕金森病患者的诊断评估。 三、实现了基于深部脑电信号的帕金森病患者睡眠-觉醒状态评估。本文以语音信号与深部脑电信号的相似性为出发点，提出了从语音到深部脑电信号的跨模态迁移学习方法，该方法提高了对帕金森病患者睡眠-觉醒状态的表征能力，实现了精确的睡眠-觉醒状态评估，为脑深部电刺激闭环治疗方案提供了支持。	访问
脑起搏器电极磁共振热安全性研究	丁建琦	2020.07.10	脑起搏器（Deep brain stimulation, DBS）是一种有效的脑疾病疗法与脑研究工具。它与磁共振成像（Magnetic resonance imaging, MRI）这一目前最流行的脑成像手段之间存在应用冲突，表现为DBS中的金属电极会吸收MRI中的射频磁场（B1）能量，使局部脑组织的温度升高（ΔT）带来热安全隐患。因此，确定DBS电极在脑内的温升水平，是保证植入者能够安全接受MRI检查的基础。目前对该问题的研究，在规律探索上，多局限于电极结构改进等方面，缺少对MRI线圈的关注；在温升评估上，虽已有传递函数法可对部分植入物的温升进行估计，但尚未有研究者应用于DBS电极，且往往局限于单一工程问题，对个中特性的把握不足。本文针对这一现状，在线圈对MRI温升的影响及规律研究、保证DBS电极热安全的MRI扫描条件的确定、传递函数法在拼接导线中的快速应用等方面开展工作，取得的主要结论及创新点如下：1） 搭建并验证了MRI温升评估的数值计算平台，发现了不同尺寸的线圈下，B1、电场、ΔT等物理量各自具备的分布相似性，提出并证明了以小区域的B1制定MRI安全扫描条件的优势，建立了升温过程的数学表述，论证了在电场分布相似时可由一点电场确定温升；2） 对多种植入环境下传递函数预测温升的方法有效性进行了验证，应用传递函数法得到了DBS电极在人体植入时的温升，设立植入路径的随机选取方法，统计了大量植入情形下的温升，确定了可保证DBS电极温升在阈值以下的MRI扫描条件；3） 推导并提出了两段拼接导线中各段传递函数的构成特征，创建了由已知的独段导线的传递函数，合成未知拼接导线的传递函数的理论方法，以数值计算及实验测量两种方式，分别对所建立的拼接合成理论进行了有效性的验证。以上工作在对DBS电极MRI温升规律的把握，以及热安全性评估方法的规范、优化等方面有着借鉴作用和现实意义。	访问
大规模帕金森病汉语语音数据集构建及机器学习分类研究	方皓	2023.09.05	帕金森病是一种常见的神经退行性疾病，其发病机制尚不明确，也缺乏彻底治疗的方法。大量证据表明，如果患者能够被尽早确诊，就有机会在疾病早期进行干预治疗从而延缓疾病的进展。构音障碍出现在约90%的帕金森病患者身上，其特征为持续性的运动范围减少，因此被定义为“运动减弱型构音障碍”。构音障碍可能是最早出现的帕金森病症状之一，使得语音信号有潜力作为帕金森病早期诊断的生物标志物。目前已有许多非汉语语音研究成功实现了基于语音的帕金森患者识别，但尚没有公开可用的帕金森病汉语语音数据集，基于汉语语音的相关研究仍处于起步阶段，多数研究存在受试规模较小、对照组匹配程度不高、语音任务设计过于简单的问题。 针对上述问题，本文设计了一套包含全部常用声母和韵母、四声调基本均匀、在日常生活中被高频使用的标准语音任务，并基于该文本库设计了一套语音采集范式。为确保受试者的语音信号能够反映我国多样化的口音情况，我们通过电话录音的方式进行远程语音信号采集，招募了来自全国30个省/市/自治区的1200名受试者，并确保了帕金森病患者组和健康对照组的年龄和性别相互匹配。经过数据处理和标注，我们构建了一个包含1035名受试者的25893段语音数据的大规模帕金森病汉语语音数据集，总数据时长为48.76小时，同时包含了受试者的人口学信息、临床信息和构音障碍信息。基于该数据集，我们对帕金森病言语障碍进行了相关统计学分析，发现帕金森患者构音障碍的严重程度与其是否伴有步态障碍高度相关，并基于系统聚类方法提出了一种更适用于帕金森病患者的构音障碍主观评价量表VHI-10-PD。最后，我们通过特征提取、特征筛选和机器学习算法训练三个步骤，构建了基于语音信号的帕金森病患者分类算法，在所采集的数据集上进行了测试，单条语音样本的分类准确率最高达到66.8%，通过多条语音样本综合得到的受试者分类准确率最高达到74.5%。在我们设计的5种语音任务中，自由发言的分类准确率最高，说明帕金森患者在日常性的交流中会不自觉地暴露出构音障碍，而当进行阅读任务时会有意识地改变自己的发音方式以使自己的声音听起来更正常。我们的研究工作可以作为帕金森病汉语语音表征研究的基础，有助于开发面向中国帕金森病患者的早期诊断系统，并能为设计患者声音训练方案提供建议。	访问
有源医疗植入物磁共振射频致热的传递函数建模方法研究	龙天罡	2024.05.28	有源植入式医疗器械和磁共振成像技术分别在神经系统疾病的治疗和诊断上发挥着不可替代的作用，二者的结合应用具有重大的临床价值和科研价值。然而由于潜在的安全性问题，植入了有源植入式医疗器械的患者通常被限制或禁止磁共振扫描。特别是对于有长导线的植入物，导线会吸收射频能量，在尖端产生高能量沉积，给患者带来不可逆损伤，影响最恶劣、情况最复杂，这一问题被称为射频致热问题。要系统、准确地评估有源植入物的射频热效应，需要建立植入物准确的射频耦合模型，这是保证患者进行安全、高效的磁共振扫查的重要基础。传递函数方法是近年来被广泛使用的建立植入物射频耦合模型的一种方法，如何有效获取传递函数是该领域研究的重要问题。本文针对现有研究的不足，提出了包含端部电极、植入物整体结构、射频环境的一整套电磁建模体系，对应传递函数的影响因素、建模方法和验证手段。可以在体模实验中高效、准确地获取植入物的传递函数。本文开展了以下工作：分析了电极在植入物射频致热效应中的三方面的影响；针对现有电极评价参数单一的问题，提出了电极射频敏感度和电极温升系数的概念来描述电极的射频接收性能和发热情况，证明了使用电极周围散射场可以对其相关的能量传输过程进行分析；确定了电极模拟计算的范式，阐明了电极触点面积对射频致热温升影响的原因。针对现有传递函数建模与验证耦合的问题，从电磁学基本原理出发进行了理论推导，提出了近场显著激励的概念用于传递函数独立测量，并提出了差分方法构造了该激励，在模拟计算实验中验证了差分测量理论的正确性；基于测量理论搭建了传递函数的移动源测量系统、平衡差分源测量系统、多源差分测量系统，首次实现了独立于射频致热实验的传递函数确定。提出了根据实测射频场进行数值模型优化，以构建射频线圈数字孪生的方法；在商用磁共振系统上进行了实施和验证，同时将该系统中的射频场建立成合格的射频测试环境，研究成果应用于有源植入物磁共振相容的欧盟CE认证；最后在该测试环境中对端部电极计算和差分方法进行了综合应用实验验证。	访问
植入式锂离子电池评估方法及零伏保护研究	王瀚晨	2024.05.28	-	无记录
磁共振环境下脑起搏器非预期刺激问题研究	顾忆元	2024.05.24	脑起搏器是一种可以治疗多种神经系统疾病和精神障碍疾病的有源植入式医疗设备。磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是一种重要的医学成像手段，尤其适用于脑组织结构和脑神经活动成像。脑起搏器在MRI下实现全面应用对于脑疾病诊疗和脑科学研究都具有重要意义。脑起搏器在MRI下基本的安全性问题目前已得到初步解决，然而脑起搏器在MRI下产生的非预期刺激风险严重限制了脑起搏器在MRI下的进一步应用，而且非预期刺激风险尚未被充分证明不会引起安全问题。为此，本文围绕脑起搏器在MRI下的非预期刺激问题展开研究。首先，本文深入研究了脑深部刺激回路各部分的电学等效模型以及脑起搏器在MRI下感应电压的产生原理和特点，发现梯度感应电压是引起非预期刺激风险的主要成因，并且非预期刺激问题更可能发生于脑起搏器的电压刺激模式。基于上述结论，本文采用回路面积法对梯度感应电压的幅值范围进行估算，建立了非预期刺激的电学模型。参考标准ISO 10974（2018）设计了非预期刺激的评估方法和测试系统。采用噪声问题分析范式，建立了非预期刺激的噪声模型，提出了适用于抑制非预期刺激风险的阻抗调节方法和反馈补偿方法。其次，对基于阻抗调节方法的MRI兼容脑起搏器样机进行了详细设计。样机具有普通模式和MRI模式，普通模式下，样机按照设置参数输出脉冲；MRI模式下，样机通过内部电路提升刺激回路阻抗以降低梯度感应电压在组织两端形成的压降，与此同时，增大直流转换模块电压输出以保持组织两端正常的刺激幅值。测试结果表明，在常用治疗参数范围内，样机对于非预期刺激风险的抑制率在66%以上，在刺激幅值在不超过2.5 V的情况下，抑制率高达83%。最后，对基于反馈补偿方法的MRI兼容脑起搏器样机进行了详细设计。样机具有普通模式和MRI模式，普通模式下，样机按照设置参数输出脉冲；MRI模式下，样机采集刺激信号，计算采集信号与参考信号的误差，根据误差调节直流转换模块电压输出以保持组织两端正常的刺激幅值。测试结果表明，在常用治疗参数范围内，样机对于非预期刺激风险的抑制率约为74.5%。本文的工作为MRI兼容脑起搏器产品设计提供了方案框架和优化方向，对脑起搏器在MRI下的全面应用具有重要意义。	访问
迷走神经刺激对难治性癫痫患者脑网络的急性影响研究	黄千瑜	2024.05.24	迷走神经刺激（Vagus nerve stimulation，VNS）是药物难治性癫痫（drug-resistant epilepsy，DRE）的一种有效疗法。但受限于深脑信号监测及分析的手段，VNS 疗法的抗癫痫机制尚未清晰，患者的筛选以及刺激参数的优化也缺乏客观的依据，导致部分患者在接受 VNS 治疗后无显著效果。针对这一问题，本文使用立体脑电图（stereo-electroencephalography，SEEG）技术，从致痫网络、重要核团以及脑网络拓扑三个层面探索了 VNS 对 DRE 患者脑网络急性影响的规律，主要开展了以下工作：首先，基于锁相值、相位滞后指数和加权相位滞后指数这三个同步性指标，研究了 VNS 疗法对 DRE 患者致痫网络同步性的急性影响的规律。通过在体实验发现，致痫网络的同步性指标随刺激电流的改变呈现不同的变化趋势。相较于其他两个同步性指标，加权相位滞后指数的同步性与临床疗效相关性最高。在临床最优参数下，疗效好的患者致痫网络呈现去同步化的趋势，且其同步性的基础值高于疗效差的患者，揭示了同步性指标用于预测 VNS 疗效的可能性。其次，使用功率谱密度的斜率探索了 VNS 疗法对 DRE 患者海马和杏仁核兴奋抑制性的急性调节影响。结果表明，海马和杏仁核的兴奋抑制失衡性随刺激电流的改变而改变，且两侧脑区对刺激参数的响应呈现不同的趋势。分析了在临床最优参数下 VNS 疗法对于不同疗效患者的影响，证实了 VNS 疗法对患者海马和杏仁核的兴奋抑制失衡性的影响与疗效之间呈正相关特性。最后，使用加权相位滞后指数构建了 15 名 DRE 患者的深部脑网络，探索了VNS 疗法对脑网络拓扑属性的急性影响。发现了不同受试者对 VNS 刺激的显著响应出现在不同的刺激强度范围内，这些显著响应的参数可能成为临床参数调节的重要参考。分析了在临床最优参数下，DRE 患者深部脑网络的特征路径长度，全局效率、聚类系数和局部效率的变化趋势，实验结果证实了 VNS 的抗癫痫效果与急性刺激下的脑网络拓扑属性影响相关。综上所述，本研究为确定 VNS 治疗癫痫的潜在标志物、患者筛选以及治疗参数选择提供了支撑证据。同时，本研究为采用 SEEG 监测及分析技术探索神经系统疾病的治疗机制提供了重要支持，具有重要的临床和科学意义。	访问
基于颅内脑电的嵌入式癫痫检测算法及临床应用研究	刘炳坤	2024.05.24	癫痫是常见的脑部系统神经疾病，严重的患者生活不能自理。大部分癫痫患者可通过药物或手术进行治疗，对于少部分具有耐药性癫痫同时不能手术的患者可以通过脑深部电刺激的方法进行治疗。脑深部电刺激疗法可分为开环和闭环两种模式，闭环模式需要实时采集患者的脑电信号并根据可靠的癫痫检测算法根据脑电信号判断患者状态，检测到患者正在发作及时给予电刺激。 基于以上背景，本文首先基于苏黎世联邦理工学院和伯尔尼大学睡眠觉醒中心公开的癫痫患者颅内脑电数据集对患者进行分析，对比癫痫发作和非发作状态下患者的脑电信号特征差异以及不同分类算法的差异，同时考虑到本文所使用的脑起搏器的硬件条件，确定了以1至60赫兹的功率谱密度和Katz分形维数、Hjorth参数作为癫痫检测算法的特征，以线性判别分析和支持向量机为分类算法的癫痫检测算法，两种算法在数据集中的平均准确率分别为0.94和0.93。其次，本文在构建多种检测算法的基础上，开展闭环脑深部电刺激治疗耐药性癫痫患者的临床试验。在临床试验中对构建的癫痫检测算法的临床实用性进行了验证，两例患者使用的检测算法的准确率分别为0.96和0.86。同时，本文对检测算法在临床试验中所遇到的问题进行解决，增加了高通滤波的环节来避免刺激伪迹触发刺激的问题。本文还对算法的假阳刺激较多问题进行探究，发现大部分假阳刺激是由IEDs导致，构建了一个以随机森林模型为分类算法的二次判别算法，两例患者假阳性分别降低约80%和50%。本文也对通用的癫痫发作检测算法进行了探索，以数据集中的数据做训练，以我们在临床试验中采集到患者的局部场电位数据做测试，两例临床患者应用通用线性判别分析算法的准确率分别为0.95、0.86，应用通用支持向量机算法的准确率分别为0.92、0.80。 综上，本文的工作围绕闭环脑深部电刺激治疗药物难治性癫痫的算法展开，构建了两种能够用于临床的癫痫发作检测算法，依此开展了相关临床试验，并进行了降低算法假阳性的研究和通用癫痫发作检测算法的探索。本文的研究为相关临床试验提供了算法前提，为闭环脑深部电刺激治疗耐药性癫痫患者的大规模应用贡献了思路。关键词：癫痫；闭环脑深部电刺激；脑电信号；癫痫检测算法	访问
脑深部电刺激术中微电极记录中的缰核定位研究	温小妍	2024.05.24	抑郁症是全球最常见的精神健康疾病之一，其中约30%为对多种抗抑郁药物缺乏反应的难治性抑郁症患者。基于缰核的脑深部电刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）是一种神经调控疗法，在治疗难治性抑郁症方面具有很大潜力。然而，缰核的细小体积、术中脑脊液流失或脑移位等不确定性，以及对缰核电生理特性的认知不足，都给DBS手术中电极的精准放置带来了挑战。本研究基于术中微电极记录（Microelectrode Recording, MER）和电生理知识，旨在研究DBS术中缰核定位方法，从而优化电极放置精度，提升治疗效果。我们采集了接受缰核DBS治疗的难治性抑郁症患者的术中MER信号，并通过动作电位波形分拣和神经元放电模式识别，实现了对丘脑与缰核的分类。进一步地，我们计算并比较了患者丘脑与缰核的神经电生理特征和MER信号特征，探讨了抑郁症的潜在病理机制。此外，我们还评估了缰核DBS术中MER的安全性、有效性、可行性及其研究价值，并基于术中MER和患者丘脑与缰核的电生理差异，建立了一种手动定位缰核DBS靶点的方法。我们成功在9个缰核DBS植入轨迹中获取了MER记录，且未发生术中出血或伤口感染。在这9个轨迹中，MER电极在缰核中的平均跨度为1.77 mm。在神经电生理方面，患者丘脑中的爆发式神经元比例（84.96%）显著高于缰核（29.26%），而缰核中的强直性和混合式神经元比例（分别为38.14%和14.74%）则显著高于丘脑（2.14%和5.20%）；患者丘脑爆发式神经元的放电间隔低于10 ms的百分比（24.4%）也显著高于缰核（15.0%）。在MER信号方面，患者丘脑的放电模式通常为爆发式，放电频率为20±9 Hz，而缰核则表现出强直性、爆发式或不规则放电模式，且存在高频强直性神经元，其放电频率在40-60 Hz；患者缰核的MER信号的信噪比和放电幅值均显著低于丘脑。本研究提出了一种简单有效的神经元放电模式分类方法，并建立了一种准确可靠的丘脑与缰核分类模型，丰富了我们对难治性抑郁症患者缰核电生理的认识，并对抑郁症的病理机制提出了合理假设。我们初步验证了MER在缰核DBS手术中的适用性，并为缰核DBS治疗难治性抑郁症的术中靶点定位提供了一种可行的方法，帮助医生根据术中MER信号准确判断缰核位置，以精确植入DBS电极。	访问
脑起搏器磁共振射频致热能量指标研究	张肇源	2024.05.24	脑起搏器系统和磁共振成像技术对神经和精神类疾病的治疗与诊断具有重大意义，然而两者在临床和科研领域存在着尖锐矛盾，主要表现为脑起搏器中的细长金属电极会吸收磁共振射频磁场能量，导致植入者脑内组织温度升高，带来脑组织损伤风险。因此，针对射频致热问题制定科学合理的安全扫描条件，是植入者接受磁共振扫描的基础。 限制射频致热能量指标是制定安全条件的主要手段。然而，由于磁共振系统品牌型号多样、线圈设计各异、发射参数不一、扫描序列繁多以及应用形式复杂等临床因素，射频致热能量指标内涵并不一致，统一设定指标限制困难重重。鉴于此，本文针对射频致热能量指标的临床复杂性，在研究方法、内在关系及临床应用等方面展开工作： 搭建并验证射频致热能量指标研究的数字孪生平台。提出基于空间电场采样的数字孪生方法，构建了独立射频线圈系统数字孪生模型，该模型与实测射频电场分布差异性指标低至4.46%，并通过标准导线测温实验验证，论证数字孪生方法研究射频致热能量指标的可靠性。 利用数字孪生研究磁共振系统射频致热能量指标关系。根据扫描序列参数，明确了射频致热能量指标比吸收率与磁场强度有效值平方的线性关系，发现磁共振系统及其数字孪生体均满足此关系，论证安全扫描条件在临床应用中的可行性。 设计射频致热能量指标安全系数并提出临床应用策略。基于主流磁共振系统扫描序列射频致热能量指标信息，设计了特征安全系数，并对比了体线圈与头线圈的射频致热能量指标特点及电场分布，进而提出了射频安全扫描条件临床应用策略。 综上，本文以射频致热能量指标为核心，提出了基于空间电场采样的数字孪生方法，研究了射频致热能量指标关系，并设计了特征安全系数，形成了临床应用策略，对射频致热能量指标的一致性研究及安全扫描条件的设计具有借鉴作用和现实意义。	访问