腦深部刺激微電極顱內(nèi)植入驅(qū)動策略研究.pdf

1、腦深部刺激是利用腦立體定向手術(shù)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，從而起到治病的作用的技術(shù)?？梢灾委熍两鹕　⒃l(fā)性震顫、癲癇、扭轉(zhuǎn)痙攣等疾患，由于具有可逆性和可調(diào)節(jié)性的特點，大大降低了手術(shù)的致殘率，已經(jīng)發(fā)展成傳統(tǒng)的立體定向功能神經(jīng)外科中常用的毀損手術(shù)的替代方法。
　　腦立體定向手術(shù)是通過探針攜帶微電極到達指定的靶點，然后用不同幅值和頻率的電流刺激病變組織，從而減緩和改善病狀。目前臨床上微電極

2、探針植入過程中存在到達靶點的精度不高，靶點位置偏移狀況嚴重，同時手術(shù)電極植入過程通過神經(jīng)電荷定位，有手術(shù)時間長、誤差大的缺點，從而導(dǎo)致手術(shù)成本高、并發(fā)癥等問題。因此，為了解決微電極植入靶點定位精度和手術(shù)時間長的問題，論文基于腦組織的材料力學(xué)特性，創(chuàng)新性提出了一種大長徑比微創(chuàng)電極的植入運動策略，實現(xiàn)微創(chuàng)電極對靶點的快速準確定位。
　　為了研究腦組織材料力學(xué)性能，選用與人腦材料力學(xué)特性相近的新鮮成年豬大腦組織，利用壓痕-松弛實驗測量豬

3、腦組織應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系以及松弛曲線，計算得到豬腦組織的楊氏模量為3.147KPa。利用超彈性Neo-Hookean本構(gòu)方程獲得豬腦的超彈性參數(shù)C10為0.540KPa，D1為0.097KPa，基于粘彈性Kelvin模型采用應(yīng)力松弛函數(shù)的Prony級數(shù)擬合求得豬腦組織的粘彈性特征量g-p1為0.9067、g-p2為0.0384、τ1為1.2015、τ2為23.295。
　　采用有限元方法，構(gòu)建大腦組織壓痕—松弛過程的FEM模型，模擬其

4、非線性超彈性和粘彈性力學(xué)特征，結(jié)果表明:粘彈性模型與實驗結(jié)果吻合較好，說明了所選模型和實驗數(shù)據(jù)的合理性;而所選超彈性模型僅在緩慢壓縮過程中能較好表達腦組織的力學(xué)特性。通過配置明膠粉、丙三醇和去離子水成分比制備可以替代豬腦組織進行微電極植入實驗的明膠凝膠仿腦組織材料。實驗結(jié)果表明:體積比為1.3∶0.7∶20的明膠粉、丙三醇和去離子水配置方案可制備出高透明、粘度符合要求的明膠凝膠。
　　結(jié)合腦組織材料的不均勻性和粘彈性特點對對微電極

5、植入過程的影響，提出旋轉(zhuǎn)進給植入和往復(fù)進給植入的策略，實驗結(jié)果表明:植入過程中微電極軸受力隨旋轉(zhuǎn)速度增加而減小，往復(fù)運動過程可以減小微電極的徑向力。為了驗證微電極旋轉(zhuǎn)、往復(fù)植入策略，采用高精度機械卡盤、高精度旋轉(zhuǎn)主軸、直線運動滑塊和圖像采集于圖形處理系統(tǒng)搭建了實驗所需的高精度四自由度空間移動平臺。測試表明:工作臺面對主軸垂向移動的垂直度為0.025mm，回轉(zhuǎn)軸精度0.002mm，工作臺面定位精度為0.015mm，旋轉(zhuǎn)軸的定位精度為0.0

6、15mm。
　　設(shè)計正交試驗的方案，將直線植入、旋轉(zhuǎn)植入、往復(fù)植入作為因素，直線速度(mm/s):0.5、1、1.5，旋轉(zhuǎn)速度(rad/s)0.5、1、1.5，往復(fù)距離(mm)20、30、40作為水平進行了九組實驗。結(jié)果表明:對微電極對靶點定位誤差影響順序從大到小分別是旋轉(zhuǎn)速度、往復(fù)距離和直線速度。結(jié)合單因素實驗分析得出直徑為0.5mm微電極植入最優(yōu)方案:旋轉(zhuǎn)速度0.5rad/s、往復(fù)距離10mm-5mm、植入速度為1.1mm/s