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用双向脉冲作选择性神经刺激的研究 中国生物医学工程学报 1999年第1期第18卷 生物效应 作者：沈　强　邰常峰　蒋大宗 单位：(西安交通大学生物医学工程研究所，西安 710049) 　　关键词: 双向脉冲；选择性刺激；神经纤维；坐骨神经干 　　双向脉冲选择性刺激是避免神经纤维电化学损伤、使肌肉平稳收缩、降低疲劳的有效电刺激模式。本文提出了单电极、双电极和三电极三种双向刺激模式，利用计算机模型仿真有效地实现了选择性刺激，并且利用蟾蜍的离体坐骨神经干在动物实验上验证了这几种方法的可行性。这些方法可望推进神经电刺激向临床应用迈进的步伐。 　　分类号： 　R318.03; R322.85 A STUDY ON SELECTIVE sTIMULATION OF NERVE FIBERS　　uSING BIPHASIC PULSES Shen Qiang, Tai changfeng, Jiang Dazong (The Institute of biomedical Engineering, Xian Jiaotong University, Xian 710049) 　　ABSTRACT　Biphasic selective stimulation is an effective electrical stimulation mode for preventing nerve fibers against electrochemical damage, and for muscles contracting smoothly, decreasing muscles fatigue. By use of computer simulation, this paper presents three biphasic stimulation modes respectively using monopolar, bipolar and tripolar electrodes, which can selectively stimulating nerve fibers effectively. And the feasibility of these methods are verified by animal experiments on toads sciatic nerve trunks in vitro. These methods will promote the clinical application of neuroelectrical stimulation. 　　Key words: Biphasic pulse; Selective stimulation; Nerve fiber; Sciatic nerve trunks 　　0　前言 　　利用电刺激外周神经纤维，可以使一些失去中枢神经控制的肌肉功能得到恢复，这也即是神经电生理学所要完成的主要任务之一。但由于粗纤维的兴奋阈值较低，受到电刺激时总是粗纤维先兴奋而细纤维后兴奋，这与正常生理状况下是正好相反的，从而使肌肉收缩不平稳、肌肉易疲劳。有时，我们还希望只兴奋细纤维，而不兴奋粗纤维，例如在排尿控制中希望只兴奋较细的支配膀胱逼尿肌的盆神经，而不兴奋与之混在一起的较粗的支配尿道外括约肌的阴部神经。这些都给我们提出一个“选择性刺激”的问题，即如何实现选择性地兴奋不同粗细的神经纤维。为此，许多科研工作者已经作出了大量的工作，提出了高频阻断技术［1，2］、准梯形波三电极方法［3］、单阴极阻断［4］等有效的刺激模式。但它们都是单向刺激，存在着长时间刺激对神经纤维电化学损伤过大的问题［5］。据研究，电荷平衡的双向刺激可以避免电化学损伤［6］。为此，我们利用F-H方程［7］建立了有髓神经纤维电刺激兴奋规律仿真系统，并利用它对神经纤维的双向刺激兴奋规律进行了探讨，提出了三种可实现选择性刺激的双向刺激模式，并用利用蟾蜍的离体坐骨神经干在动物实验上验证了这几种方法的可行性。这些方法可望推进神经电刺激向临床应用迈进的步伐。 　　1　仿真 　　1.1　有髓神经纤维电刺激兴奋规律仿真系统 　　为了研究神经纤维的兴奋规律，本文采用Frankenhaeuser和Huxley提出的关于有髓神经纤维膜电流与膜电压关系的F-H方程［7］建立了有髓神经纤维电刺激兴奋规律仿真系统。根据McNeal提出的神经纤维的电缆模型(如图1所示)，膜电位的变化可以用下式描述［8］： 　　其中的常量有：ρi是轴浆电阻率，等于110Ω。cm;l为结宽度，等于2.5μm;cm为单位面积的膜电容，值为2μF/cm2。变量iNa、iK、iL分别为钠离子、钾离子和漏离子电流密度，而iP为非特异性延迟电流密度，可以通过F-H方