針狀腦部植入電極微動損傷與植入損傷研究.pdf

1、腦機接口（Brain-computer interface，BCI）技術在大腦神經系統(tǒng)與外部環(huán)境間建立了一種全新的交流方式，對于它的研究在理論與現(xiàn)實應用中有著巨大的前景。研究和發(fā)展腦機接口技術不僅可以有助于人類自身對神經系統(tǒng)原理的了解，更重要的是可以幫助神經性疾病或殘疾患者以及交流障礙者恢復他們的控制和交流功能。
　　腦部植入式神經電極作為腦機接口系統(tǒng)一個重要的構成部分，具有空間分辨率和信噪比高以及信號后處理簡單等優(yōu)點。然而，目前

2、神經電極微動損傷與植入損傷造成的神經組織炎性反應已成為影響神經電極長期壽命的重要因素。如何減少神經電極在植入過程產生的植入損傷和植入后產生的長期微動損傷，以提高電極的長期壽命是植入式神經電極技術面臨的重大挑戰(zhàn)。
　　本文首先采用數(shù)值仿真法預測腦組織微動損傷，基于超粘彈性材料本構對神經電極-腦組織模型進行有限元分析，計算了神經電極形狀參數(shù)（包括過渡圓角、楔形角、厚度）對于微動損傷的影響規(guī)律；其次分別基于單元刪除法與內聚力模型法研究神

3、經電極在植入過程中產生的植入損傷，考察神經電極楔形角、植入速度、電極流線型以及電極剛度對急性損傷的影響規(guī)律；最后建立了神經電極植入損傷評估測試系統(tǒng)，基于數(shù)字圖像相關法，研究了腦組織模型在不同電極形狀參數(shù)和植入速度下的變形場。
　　本文研究結果如下：（1）20μm圓角半徑可將最大應變與損傷區(qū)域控制在較小范圍；70°楔形角可使最大應變降低10.34％，損傷區(qū)域減少34.52%；電極厚度為15μm時損傷區(qū)域最小。（2）相比90°楔角，1

4、50°楔角產生的應變值增加37.1%；100μm/s慢速植入時，植入路徑上組織應變值均高于57%，500μm/s較高速植入時路徑上組織應變均低于25%；而電極剛度對植入損傷影響不明顯。（3）實驗結果表明，較小的楔形角、外凸流線型和較高的植入速度有利于降低電極植入損傷。基于損傷測試結果，提出一種新型神經電極設計，電極采用半圓角尖端，并涂覆可降解帶流線型蠶絲蛋白涂層，所設計電極兼具低植入損傷與微動損傷，對提高神經電極長期工作壽命具有積極作用