腦深部刺激微電極顱內(nèi)植入穿刺機(jī)理研究.pdf

1、腦深部電刺激術(shù)(deep brain stimulation，DBS)利用腦立體定向手術(shù)在腦內(nèi)特定神經(jīng)核團(tuán)的位置植入電極，通過高頻電刺激可抑制異常電活動(dòng)的神經(jīng)元，從而對(duì)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(yán)重的并發(fā)癥和副作用，而其中一個(gè)重要原因就是微電極定位不準(zhǔn)。為了保證穿刺定位精度，提高手術(shù)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(dòng)策略，開發(fā)更為可靠的穿刺設(shè)備十分必要，而對(duì)腦組織力學(xué)性能與穿刺

2、機(jī)理的研究是該研究中最關(guān)鍵的部分。本文通過對(duì)試驗(yàn)、理論分析和有限元仿真結(jié)合的方法，以豬腦為研究對(duì)象，對(duì)腦組織的力學(xué)性能和穿刺機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　對(duì)腦模型三維實(shí)體重建技術(shù)進(jìn)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(shí)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(jìn)行豬腦穿刺試驗(yàn)來研究

3、人腦電極植入過程與機(jī)理是可行的。
　　搭建了一個(gè)多功能腦組織測試平臺(tái)，通過壓縮-松弛試驗(yàn)測得了不同應(yīng)變率條件下的腦組織應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。利用準(zhǔn)線性粘彈性模型，以O(shè)dgen超彈性模型定義腦組織瞬時(shí)力學(xué)特征，以Prony級(jí)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(xué)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(duì)彈性和粘性響應(yīng)分別求解，并推算出理想階躍壓縮時(shí)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(shí)，本模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)最為吻合。提出了對(duì)松弛函數(shù)Prony級(jí)數(shù)階數(shù)選擇的判定標(biāo)準(zhǔn)。由于測試壓縮速度和松弛時(shí)間有限，試驗(yàn)的短時(shí)和長時(shí)響應(yīng)永遠(yuǎn)不可能測得，因此，為更好地描繪松弛曲線，只有Prony級(jí)數(shù)中的項(xiàng)對(duì)測試時(shí)間段影響遠(yuǎn)小于1時(shí)，才可以進(jìn)行簡化。并就此提出了腦組織模型應(yīng)用范圍的通用原則。一般情況下，模型應(yīng)用的應(yīng)變率不應(yīng)超出測試的最大應(yīng)變率，且模型應(yīng)用的分析時(shí)間不應(yīng)超出測試的時(shí)間。本文所建立的模型適用于分析時(shí)間小于20 s，

5、應(yīng)變率小于1 sJ的情況。
　　通過進(jìn)行腦組織穿刺試驗(yàn)測得了不同條件下穿刺過程中穿刺針的受力變化，對(duì)腦組織穿刺機(jī)理進(jìn)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(gè)階段的組織變形。試驗(yàn)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(duì)穿刺過程進(jìn)行了建模，在穿刺過程中，能量的來源為穿刺力對(duì)組織做功，而能量的消耗主要有:組織