本書討論了用于治療如帕金森、抑郁癥和耳鳴等各種腦部疾病的神經(jīng)刺激器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)�，F(xiàn)有的許多書籍將神經(jīng)刺激集中在一個(gè)特定的設(shè)計(jì)方面，如刺激器的電氣設(shè)計(jì)，而本書采用多學(xué)科的方法：結(jié)合神經(jīng)科學(xué)、電生理學(xué)和電氣工程領(lǐng)域深入了解建立的完整神經(jīng)刺激鏈（從刺激IC到神經(jīng)細(xì)胞）。這種多學(xué)科的方法在上下文提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例的同時(shí)，使讀者在刺激器設(shè)計(jì)方面獲得新的見解。
l提供*的、對(duì)神經(jīng)刺激領(lǐng)域的多學(xué)科借鑒，橋接了生物電、神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)工程和微電子領(lǐng)域中的重要知識(shí)鴻溝；
l使用自上而下的方法來理解神經(jīng)激活過程：從電極建模到細(xì)胞活化；
l討論神經(jīng)損傷的機(jī)制，并考慮電化學(xué)平衡的幾種策略；
l描述了新穎的、與現(xiàn)有刺激器設(shè)計(jì)相比根本不同的高頻刺激方法的原理。
前言
對(duì)于日益增長的神經(jīng)疾病來說，神經(jīng)電刺激是一種既定的治療方法，同時(shí)它的應(yīng)用也正在醞釀面對(duì)更多種類的疾病。沿著這個(gè)方向發(fā)展，就需要安全、可靠并具有外形小特點(diǎn)的神經(jīng)刺激裝置。這類裝置的設(shè)計(jì)需要多學(xué)科的方法，綜合考慮來自神經(jīng)學(xué)、生理學(xué)、電化學(xué)和電學(xué)角度的需求。
電刺激的概念通常從兩個(gè)不同的方向來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)開始于神經(jīng)元，并且詢問需要什么樣的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)所需要的神經(jīng)調(diào)控。這個(gè)方向通常計(jì)算基于電極配置、施加的電場以及所考慮神經(jīng)元的物理特性的神經(jīng)響應(yīng)。另一個(gè)開始于刺激器，并且詢問什么樣的電路技術(shù)可以用來實(shí)現(xiàn)刺激信號(hào)。這個(gè)方向的典型特征是關(guān)注功率效率、安全性（例如電荷消除）以及可擴(kuò)展性（例如輸出端的數(shù)量）。
這兩種方法似乎彼此孤立。第一種方法通常不知道如何將最佳的波形轉(zhuǎn)化為電路。同樣地，第二種方法往往不知道如何替代電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以影響神經(jīng)激活機(jī)制。
兩種方法的結(jié)合將是更好的解決方案：什么樣的信號(hào)既可以高效地激活神經(jīng)又可以高效地以電路實(shí)現(xiàn)？這本書的目的即是幫助神經(jīng)刺激電路設(shè)計(jì)者以這樣的方法呈現(xiàn)完整的刺激序列：從神經(jīng)刺激器下傳到發(fā)生激活（或抑制）的神經(jīng)元細(xì)胞膜。通過了解這個(gè)完整的鏈，即能夠設(shè)計(jì)新的刺激器架構(gòu)，也可以理解對(duì)神經(jīng)刺激非常重要的安全方面的問題。書中給出了一些新方法的例子，包括對(duì)安全性、電化學(xué)穩(wěn)定性和刺激器架構(gòu)的考慮。
采取與以往根本不同方法的缺點(diǎn)之一是工作通常很難得到科學(xué)界的認(rèn)可。下面的故事很好地說明了這一點(diǎn)并值得分享。1892年，荷蘭烏得勒支的科學(xué)家Jan Leendert Hoorweg在期刊Archiv fr die gesamte Physiologie des Menschenund der Tiere (the contemporary Pflgers Archiv)發(fā)表了大膽的學(xué)術(shù)論文。他研究了帶電電容器能刺激人體肌肉收縮的條件。他發(fā)現(xiàn)由著名的電生理學(xué)之父Emil du Bois-Reymond提出的基本關(guān)系似乎無效。1845年，Emil du Bois-Reymond建立了公式?(t)=F［di(t)/dt］，假設(shè)瞬態(tài)的肌肉運(yùn)動(dòng)?(t)依賴于刺激電流的瞬態(tài)變化。
Hoorweg對(duì)來自參考文獻(xiàn)[2]的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)并不滿意，他進(jìn)行了一系列系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)這個(gè)關(guān)系不僅獨(dú)立于di(t)/dt，而且和使用的刺激電路參數(shù)如電容、電阻和電壓相關(guān)。他根本不同的觀點(diǎn)引起了學(xué)術(shù)界很大的恐慌，許多著名的科學(xué)家，如Eduard Pflger,都斷然否定了他的觀點(diǎn)而沒有做任何進(jìn)一步的證明。
又過了9年，直到1901年，Georges Weiss建立了刺激電荷與間期的關(guān)系，表明Hoorweg的測量實(shí)際上是正確的。1909年，Louis Lapicque改寫了參考文獻(xiàn)[10]（第2章），形成了著名的強(qiáng)度時(shí)間曲線并成為目前神經(jīng)刺激領(lǐng)域的一條基本原則。
發(fā)現(xiàn)Hoorweg的故事給了我一種奇怪的滿足感，不僅僅是因?yàn)樽罱K證明他的想法是正確的，而且更主要是因?yàn)樗砻骷词故窃诮裉�，說服科學(xué)界考慮替代方法依然是困難的。在我多年的研究中，我也曾經(jīng)歷過，要說服社會(huì)至少允許其他想法進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域并不總是那么容易。
感謝我周圍的人，讓我能夠繼續(xù)推進(jìn)和證明本書中提出想法和概念的有效性和實(shí)用性。在這方面我要感謝代爾夫特理工大學(xué)的生物電子學(xué)分部：能成為這群人的一部分是一種榮幸。此外，作為SINs聯(lián)盟的一部分，我很高興與其他幾個(gè)研究組的合作讓我體驗(yàn)到這一研究領(lǐng)域的多學(xué)科特色。這里我要提到的是鹿特丹的伊拉斯姆斯大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系，以及奧塔哥大學(xué)和安特衛(wèi)普大學(xué)的神經(jīng)外科。
最后，我想感謝我生命中最重要的人：我的妻子邱琳和女兒丹婭。是你們給了我完成工作和這本書所必需的力量和支持。
董興成（Marijn van Dongen）
奈梅亨，荷蘭
董興成（Marijn van Dongen）1984年出生于荷蘭派納克，他于2010年和2015年分別獲得了荷蘭代爾夫特理工大學(xué)電氣工程碩士和博士學(xué)位。他的研究興趣包括神經(jīng)刺激輸出電路的設(shè)計(jì)以及電刺激過程中電生理和電化學(xué)過程的建模。目前他就職于位于荷蘭奈梅亨的恩智浦半導(dǎo)體公司，曾擔(dān)任IEEE BioCAS2013會(huì)議財(cái)務(wù)主席。
沃特·塞爾丁（Wouter Serdijn）1966年出生于荷蘭祖特梅爾（甜湖城），他于1989年和1994年分別獲得荷蘭代爾夫特理工大學(xué)碩士（優(yōu)等生）和博士學(xué)位，現(xiàn)為代爾夫特理工大學(xué)生物電子學(xué)全職教授，負(fù)責(zé)生物電子學(xué)方向。他的研究興趣包括低電壓、超低功耗和超寬帶集成電路與生物信號(hào)調(diào)理和檢測，神經(jīng)假體，經(jīng)皮無線通信、電源管理、能源采集系統(tǒng)及其應(yīng)用，如助聽器、心臟起搏器、植入式人工耳蝸、神經(jīng)刺激器，便攜式、可穿戴式、植入式和可注射式的醫(yī)用裝置和電子學(xué)療法。他共同編著了9部著作、8部著作章節(jié)和300多個(gè)科學(xué)出版物和演講，并教授電路理論、模擬信號(hào)處理、微功耗模擬集成電路設(shè)計(jì)以及生物電子學(xué)。他曾獲得2001年、2004年和2015年電氣工程最佳教師獎(jiǎng)，擔(dān)任IEEE會(huì)士、IEEE 杰出講師以及IEEE導(dǎo)師。
譯者序
前言
關(guān)于作者
第1章 緒論（1）
1.1神經(jīng)刺激（1）
1.2案例研究：SCS裝置（3）
1.3本書目標(biāo)（5）
1.3.1神經(jīng)募集策略（5）
1.3.2安全方面（6）
1.4本書概要（6）
1.5符號(hào)（8）
參考文獻(xiàn)（9）
第一部分 走向安全高效的神經(jīng)刺激
第2章 神經(jīng)細(xì)胞激活的建模（13）
2.1神經(jīng)細(xì)胞的生理學(xué)原理（13）
2.1.1神經(jīng)元（13）
2.1.2細(xì)胞膜的模型（15）
2.1.3離子通道門控（16）
2.2神經(jīng)組織的刺激（19）
2.2.1電極水平：電極組織模型（19）
2.2.2組織水平：電場分布（23）
2.2.3神經(jīng)元水平：軸突激活（26）
2.3結(jié)論（28）
參考文獻(xiàn)（29）
第3章 刺激周期中的電極組織界面（30）
3.1損傷機(jī)制（30）
3.1.1機(jī)械損傷（30）
3.1.2電損傷（31）
3.2使用耦合電容器的后果（32）
3.2.1方法（33）
3.2.2測量結(jié)果（40）
3.2.3討論（43）
3.2.4結(jié)論（45）
3.3刺激中電荷轉(zhuǎn)移過程的可逆性（46）
3.3.1理論（46）
3.3.2方法（48）
3.3.3測量結(jié)果（51）
3.3.4討論（53）
3.4結(jié)論（55）
參考文獻(xiàn)（56）
第4章 高頻開關(guān)模式神經(jīng)刺激的效率（58）
4.1概述（58）
4.2理論（60）
4.2.1組織材料特性（60）
4.2.2組織膜特性（62）
4.3方法（70）
4.3.1記錄協(xié)議（70）
4.3.2刺激器設(shè)計(jì)（72）
4.4結(jié)果（73）
4.5討論（74）
4.6結(jié)論（76）
參考文獻(xiàn)（77）
第二部分 神經(jīng)刺激器的電氣設(shè)計(jì)
第5章 神經(jīng)刺激器系統(tǒng)設(shè)計(jì)（81）
5.1神經(jīng)刺激器的系統(tǒng)屬性（81）
5.1.1系統(tǒng)的位置（81）
5.1.2電極配置（82）
5.1.3刺激波形（83）
5.1.4電荷消除方案（86）
5.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面（89）
5.2.1神經(jīng)刺激器的功率效率（89）
5.2.2雙向刺激（91）
5.3總結(jié)（92）
參考文獻(xiàn)（93）
第6章 任意波形電荷平衡刺激器的設(shè)計(jì)（95）
6.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)（95）
6.2 IC電路設(shè)計(jì)（98）
6.2.1驅(qū)動(dòng)器（99）
6.2.2積分器設(shè)計(jì)（101）
6.2.3放大器（104）
6.2.4全系統(tǒng)仿真（105）
6.3分立元件實(shí)現(xiàn)（107）
6.3.1電路設(shè)計(jì)（108）
6.3.2測量結(jié)果（110）
6.4應(yīng)用：多模式刺激減少耳鳴（111）
6.4.1材料（112）
參考文獻(xiàn)（114）
第7章 開關(guān)模式的高頻刺激器設(shè)計(jì)（116）
7.1高頻動(dòng)態(tài)刺激（118）
7.1.1基于電流源刺激器的功率效率（118）
7.1.2高頻動(dòng)態(tài)刺激（121）
7.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)（123）
7.2.1高頻動(dòng)態(tài)刺激器的要求（123）
7.2.2通用系統(tǒng)架構(gòu)（123）
7.2.3數(shù)字控制設(shè)計(jì)（125）
7.3電路設(shè)計(jì)（128）
7.3.1動(dòng)態(tài)刺激器（128）
7.3.2時(shí)鐘和占空比發(fā)生器（133）
7.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果（135）
7.4.1電源效率（136）
7.4.2雙相刺激脈沖（138）
7.4.3多通道運(yùn)行（138）
7.4.4PBS溶液測量（140）
7.4.5討論（140）
7.5結(jié)論（142）
參考文獻(xiàn)（143）
第8章結(jié)論（145）
索引（148）
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