癫痫状态建模与闭环抗扰调控研究

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低强度经颅聚焦超声刺激是近年来兴起的一种新型癫痫辅助治疗方案,不仅具有较高的空间分辨力,还能实现无创神经调控。但是,目前,超声刺激对癫痫的作用机制尚未完全明晰,相关研究主要通过开环刺激的动物实验来探索有效的超声刺激参数范围,缺乏个体适应性。为提升神经调控治疗效果,本文提出一种基于改进线性自抗扰控制的闭环神经调控方案,从控制算法的改进与优化、小鼠癫痫模型的建立、闭环控制仿真以及动物实验四方面开展癫痫闭环神经调控研究。首先,本文针对线性自抗扰控制的不足和癫痫神经调控的难点提出了两种自抗扰控制改进方案,给出了严格的稳定性分析过程,证明了改进方案的可行性与有效性。其次,采用多耦合的神经群模型对小鼠癫痫发作时脑电的放电特征进行建模,以模拟小鼠癫痫发作时大脑的异常放电行为。然后,基于所建立的小鼠癫痫模型,对比改进的自抗扰控制、PI控制以及线性自抗扰控制的调控效果。最后,通过一组超声刺激的动物实验,验证了一定参数的超声刺激可有效抑制小鼠癫痫。癫痫调控的数值模拟结果显示,本文提出的基于变带宽-相位超前复合自抗扰控制的闭环神经调控方案具有对模型依赖小的优势,仅依靠输入、输出信息就能快速、有效地抑制癫痫。这表明基于变带宽-相位超前复合自抗扰控制的闭环神经调控方案可避免复杂生理学模型建模过程而获得期望的调控效果,是有效、可行的。动物实验的结果表明,选取合适的超声刺激参数,可有效抑制小鼠癫痫。本文研究结果也为癫痫闭环超声神经调控系统的设计奠定了理论基础,为今后的动物实验及实施临床治疗提供了理论依据。
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