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『簡體書』高效安全神经刺激器的设计：多学科方法

書城自編碼： 3188059
分類：簡體書→大陸圖書→社會科學→社会科学总论
作者：董兴成
國際書號(ISBN)： 9787569303650
出版社：西安交通大学出版社
出版日期： 2018-04-01

書度/開本： 16开

售價：NT$ 553

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內容簡介：

本书讨论了用于治疗如帕金森氏症、抑郁症和耳鸣等各种脑疾病的神经刺激系统的设计方法。该领域现有针对神经刺激的许多书籍都集中于探讨如刺激器的电气设计等某个特定的设计方面。而本书采用了多学科综合的方法：结合神经科学，生理学和电气工程领域，建立了全面深入的神经刺激链（从发放刺激的集成电路到神经细胞）。这种多学科综合的方法使读者能够在提供创新的设计实例的背景下对刺激设计获得新的视角。

關於作者：

陈翔，1995年毕业于西安石油学院电子仪器及测量技术专业，获学士学位。同年进入西安医科大学任教，并于2002年、2010年分别获得西安交通大学生物医学工程硕士、博士学位。2005-2007年美国
Case Western Reserve University
访问学者。2011年进入西安交通大学电子科学与技术博士后流动站，从事植入式光电器件、有源植入医学装置方向的研究。

译者序
前言
关于作者

第1章绪论（1）
1.1神经刺激（1）
1.2案例研究：SCS装置（3）
1.3本书目标（5）
1.3.1神经募集策略（5）
1.3.2安全方面（6）
1.4本书概要（6）
1.5符号（8）
参考文献（9）

第一部分走向安全高效的神经刺激

第2章神经细胞激活的建模（13）
2.1神经细胞的生理学原理（13）
2.1.1神经元（13）
2.1.2细胞膜的模型（15）
2.1.3离子通道门控（16）
2.2神经组织的刺激（19）
2.2.1电极水平：电极组织模型（19）
2.2.2组织水平：电场分布（23）
2.2.3神经元水平：轴突激活（26）
2.3结论（28）
参考文献（29）

第3章刺激周期中的电极组织界面（30）
3.1损伤机制（30）
3.1.1机械损伤（30）
3.1.2电损伤（31）
3.2使用耦合电容器的后果（32）
3.2.1方法（33）
3.2.2测量结果（40）
3.2.3讨论（43）
3.2.4结论（45）
3.3刺激中电荷转移过程的可逆性（46）
3.3.1理论（46）
3.3.2方法（48）
3.3.3测量结果（51）
3.3.4讨论（53）
3.4结论（55）
参考文献（56）

第4章高频开关模式神经刺激的效率（58）
4.1概述（58）
4.2理论（60）
4.2.1组织材料特性（60）
4.2.2组织膜特性（62）
4.3方法（70）
4.3.1记录协议（70）
4.3.2刺激器设计（72）
4.4结果（73）
4.5讨论（74）
4.6结论（76）
参考文献（77）

第二部分神经刺激器的电气设计

第5章神经刺激器系统设计（81）
5.1神经刺激器的系统属性（81）
5.1.1系统的位置（81）
5.1.2电极配置（82）
5.1.3刺激波形（83）
5.1.4电荷消除方案（86）
5.2系统实现方面（89）
5.2.1神经刺激器的功率效率（89）
5.2.2双向刺激（91）
5.3总结（92）
参考文献（93）

第6章任意波形电荷平衡刺激器的设计（95）
6.1系统设计（95）
6.2 IC电路设计（98）
6.2.1驱动器（99）
6.2.2积分器设计（101）
6.2.3放大器（104）
6.2.4全系统仿真（105）
6.3分立元件实现（107）
6.3.1电路设计（108）
6.3.2测量结果（110）
6.4应用：多模式刺激减少耳鸣（111）
6.4.1材料（112）
参考文献（114）

第7章开关模式的高频刺激器设计（116）
7.1高频动态刺激（118）
7.1.1基于电流源刺激器的功率效率（118）
7.1.2高频动态刺激（121）
7.2系统设计（123）
7.2.1高频动态刺激器的要求（123）
7.2.2通用系统架构（123）
7.2.3数字控制设计（125）
7.3电路设计（128）
7.3.1动态刺激器（128）
7.3.2时钟和占空比发生器（133）
7.4实验结果（135）
7.4.1电源效率（136）
7.4.2双相刺激脉冲（138）
7.4.3多通道运行（138）
7.4.4PBS溶液测量（140）
7.4.5讨论（140）
7.5结论（142）
参考文献（143）

第8章结论（145）

索引（148）
彩色插图

內容試閱：

前言

对于日益增长的神经疾病来说，神经电刺激是一种既定的治疗方法，同时它的应用也正在酝酿面对更多种类的疾病。沿着这个方向发展，就需要安全、可靠并具有外形小特点的神经刺激装置。这类装置的设计需要多学科的方法，综合考虑来自神经学、生理学、电化学和电学角度的需求。
电刺激的概念通常从两个不同的方向来实现。一个开始于神经元，并且询问需要什么样的信号来实现所需要的神经调控。这个方向通常计算基于电极配置、施加的电场以及所考虑神经元的物理特性的神经响应。另一个开始于刺激器，并且询问什么样的电路技术可以用来实现刺激信号。这个方向的典型特征是关注功率效率、安全性（例如电荷消除）以及可扩展性（例如输出端的数量）。
这两种方法似乎彼此孤立。第一种方法通常不知道如何将最佳的波形转化为电路。同样地，第二种方法往往不知道如何替代电路拓扑结构以影响神经激活机制。
两种方法的结合将是更好的解决方案：什么样的信号既可以高效地激活神经又可以高效地以电路实现？这本书的目的即是帮助神经刺激电路设计者以这样的方法呈现完整的刺激序列：从神经刺激器下传到发生激活（或抑制）的神经元细胞膜。通过了解这个完整的链，即能够设计新的刺激器架构，也可以理解对神经刺激非常重要的安全方面的问题。书中给出了一些新方法的例子，包括对安全性、电化学稳定性和刺激器架构的考虑。
采取与以往根本不同方法的缺点之一是工作通常很难得到科学界的认可。下面的故事很好地说明了这一点并值得分享。1892年，荷兰乌得勒支的科学家Jan Leendert Hoorweg在期刊Archiv fr die gesamte Physiologie des Menschenund der Tiere the contemporary Pflgers Archiv发表了大胆的学术论文。他研究了带电电容器能刺激人体肌肉收缩的条件。他发现由著名的电生理学之父Emil du Bois-Reymond提出的基本关系似乎无效。1845年，Emil du Bois-Reymond建立了公式?t=F［ditdt］，假设瞬态的肌肉运动?t依赖于刺激电流的瞬态变化。
Hoorweg对来自参考文献[2]的经验证据并不满意，他进行了一系列系统的实验并发现这个关系不仅独立于ditdt，而且和使用的刺激电路参数如电容、电阻和电压相关。他根本不同的观点引起了学术界很大的恐慌，许多著名的科学家，如Eduard Pflger,都断然否定了他的观点而没有做任何进一步的证明。
又过了9年，直到1901年，Georges Weiss建立了刺激电荷与间期的关系，表明Hoorweg的测量实际上是正确的。1909年，Louis Lapicque改写了参考文献[10]（第2章），形成了著名的强度时间曲线并成为目前神经刺激领域的一条基本原则。
发现Hoorweg的故事给了我一种奇怪的满足感，不仅仅是因为最终证明他的想法是正确的，而且更主要是因为它表明即使是在今天，说服科学界考虑替代方法依然是困难的。在我多年的研究中，我也曾经历过，要说服社会至少允许其他想法进入这个领域并不总是那么容易。
感谢我周围的人，让我能够继续推进和证明本书中提出想法和概念的有效性和实用性。在这方面我要感谢代尔夫特理工大学的生物电子学分部：能成为这群人的一部分是一种荣幸。此外，作为SINs联盟的一部分，我很高兴与其他几个研究组的合作让我体验到这一研究领域的多学科特色。这里我要提到的是鹿特丹的伊拉斯姆斯大学神经科学系，以及奥塔哥大学和安特卫普大学的神经外科。
最后，我想感谢我生命中最重要的人：我的妻子邱琳和女儿丹娅。是你们给了我完成工作和这本书所必需的力量和支持。

董兴成（Marijn van Dongen）
奈梅亨，荷兰

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