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(tuán)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?、原發(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(diǎn)，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(dá)指定的靶點(diǎn)，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(dá)靶點(diǎn)的精度不高，靶點(diǎn)位置偏移狀況嚴(yán)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(diǎn)，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(diǎn)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(yùn)動策略，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)電極對靶點(diǎn)的快速準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)測量豬

3、腦組織應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系以及松弛曲線，計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明了所選模型和實(shí)驗(yàn)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(dá)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(jìn)行微電極植入實(shí)驗(yàn)的明膠凝膠仿腦組織材料。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)對對微電極

5、植入過程的影響，提出旋轉(zhuǎn)進(jìn)給植入和往復(fù)進(jìn)給植入的策略，實(shí)驗(yàn)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(yùn)動過程可以減小微電極的徑向力。為了驗(yàn)證微電極旋轉(zhuǎn)、往復(fù)植入策略，采用高精度機(jī)械卡盤、高精度旋轉(zhuǎn)主軸、直線運(yùn)動滑塊和圖像采集于圖形處理系統(tǒng)搭建了實(shí)驗(yàn)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(jì)正交試驗(yàn)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(jìn)行了九組實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:對微電極對靶點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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