腦深部刺激微電極顱內(nèi)植入穿刺機理研究.pdf

1、腦深部電刺激術(deep brain stimulation，DBS)利用腦立體定向手術在腦內(nèi)特定神經(jīng)核團的位置植入電極，通過高頻電刺激可抑制異常電活動的神經(jīng)元，從而對某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病起到治療的作用。但是，目前DBS也存在一些嚴重的并發(fā)癥和副作用，而其中一個重要原因就是微電極定位不準。為了保證穿刺定位精度，提高手術成功率，研究適合一次性成功植入的微電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化和精密定位的驅(qū)動策略，開發(fā)更為可靠的穿刺設備十分必要，而對腦組織力學性能與穿刺

2、機理的研究是該研究中最關鍵的部分。本文通過對試驗、理論分析和有限元仿真結(jié)合的方法，以豬腦為研究對象，對腦組織的力學性能和穿刺機理進行了研究。
　　對腦模型三維實體重建技術進行了介紹，并確定了重建的方案。分別從數(shù)字大腦模型與MRI三維掃描圖像出發(fā)建立了人腦和豬腦的三維實體模型，并確定了腦深部電極植入的穿刺路徑。研究發(fā)現(xiàn)，人腦與豬腦在結(jié)構(gòu)上具有一定的相似性，穿刺路徑上組織前半段以灰質(zhì)為主，而后半段以白質(zhì)為主，通過進行豬腦穿刺試驗來研究

3、人腦電極植入過程與機理是可行的。
　　搭建了一個多功能腦組織測試平臺，通過壓縮-松弛試驗測得了不同應變率條件下的腦組織應力-應變關系。利用準線性粘彈性模型，以Odgen超彈性模型定義腦組織瞬時力學特征，以Prony級數(shù)描述其粘彈性特征，得出了可用于有限元分析的腦組織粘彈性力學模型。提出了一種建立粘性超彈性模型的新方法，通過引入理想因子k，對彈性和粘性響應分別求解，并推算出理想階躍壓縮時松弛函數(shù)，建立了更為簡單可靠的模型。得出在理想

4、因子k取值為10時，本模型與試驗數(shù)據(jù)最為吻合。提出了對松弛函數(shù)Prony級數(shù)階數(shù)選擇的判定標準。由于測試壓縮速度和松弛時間有限，試驗的短時和長時響應永遠不可能測得，因此，為更好地描繪松弛曲線，只有Prony級數(shù)中的項對測試時間段影響遠小于1時，才可以進行簡化。并就此提出了腦組織模型應用范圍的通用原則。一般情況下，模型應用的應變率不應超出測試的最大應變率，且模型應用的分析時間不應超出測試的時間。本文所建立的模型適用于分析時間小于20 s，

5、應變率小于1 sJ的情況。
　　通過進行腦組織穿刺試驗測得了不同條件下穿刺過程中穿刺針的受力變化，對腦組織穿刺機理進行了研究。分析穿刺過程中的穿刺力變化曲線，討論了穿刺過程的各個階段的組織變形。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著穿刺速度增加，刺破力變化不明顯，刺破深度減小，而穿刺力峰值增大;隨著穿刺針直徑的增加，刺破力，刺破深度和穿刺力峰值都增大。利用能量分析法對穿刺過程進行了建模，在穿刺過程中，能量的來源為穿刺力對組織做功，而能量的消耗主要有:組織