脑深部刺激微电极颅内植入驱动策略研究

摘要

脑深部刺激是利用脑立体定向手术在脑内特定神经核团的位置植入电极，通过高频电刺激可抑制异常电活动的神经元，从而起到治病的作用的技术。可以治疗帕金森病、原发性震颤、癫痫、扭转痉挛等疾患，由于具有可逆性和可调节性的特点，大大降低了手术的致残率，已经发展成传统的立体定向功能神经外科中常用的毁损手术的替代方法。
　　脑立体定向手术是通过探针携带微电极到达指定的靶点，然后用不同幅值和频率的电流刺激病变组织，从而减缓和改善病状。目前临床上微电极探针植入过程中存在到达靶点的精度不高，靶点位置偏移状况严重，同时手术电极植入过程通过神经电荷定位，有手术时间长、误差大的缺点，从而导致手术成本高、并发症等问题。因此，为了解决微电极植入靶点定位精度和手术时间长的问题，论文基于脑组织的材料力学特性，创新性提出了一种大长径比微创电极的植入运动策略，实现微创电极对靶点的快速准确定位。
　　为了研究脑组织材料力学性能，选用与人脑材料力学特性相近的新鲜成年猪大脑组织，利用压痕-松弛实验测量猪脑组织应力—应变关系以及松弛曲线，计算得到猪脑组织的杨氏模量为3.147KPa。利用超弹性Neo-Hookean本构方程获得猪脑的超弹性参数C10为0.540KPa，D1为0.097KPa，基于粘弹性Kelvin模型采用应力松弛函数的Prony级数拟合求得猪脑组织的粘弹性特征量g-p1为0.9067、g-p2为0.0384、τ1为1.2015、τ2为23.295。
　　采用有限元方法，构建大脑组织压痕—松弛过程的FEM模型，模拟其非线性超弹性和粘弹性力学特征，结果表明:粘弹性模型与实验结果吻合较好，说明了所选模型和实验数据的合理性;而所选超弹性模型仅在缓慢压缩过程中能较好表达脑组织的力学特性。通过配置明胶粉、丙三醇和去离子水成分比制备可以替代猪脑组织进行微电极植入实验的明胶凝胶仿脑组织材料。实验结果表明:体积比为1.3∶0.7∶20的明胶粉、丙三醇和去离子水配置方案可制备出高透明、粘度符合要求的明胶凝胶。
　　结合脑组织材料的不均匀性和粘弹性特点对对微电极植入过程的影响，提出旋转进给植入和往复进给植入的策略，实验结果表明:植入过程中微电极轴受力随旋转速度增加而减小，往复运动过程可以减小微电极的径向力。为了验证微电极旋转、往复植入策略，采用高精度机械卡盘、高精度旋转主轴、直线运动滑块和图像采集于图形处理系统搭建了实验所需的高精度四自由度空间移动平台。测试表明:工作台面对主轴垂向移动的垂直度为0.025mm，回转轴精度0.002mm，工作台面定位精度为0.015mm，旋转轴的定位精度为0.015mm。
　　设计正交试验的方案，将直线植入、旋转植入、往复植入作为因素，直线速度(mm/s):0.5、1、1.5，旋转速度(rad/s)0.5、1、1.5，往复距离(mm)20、30、40作为水平进行了九组实验。结果表明:对微电极对靶点定位误差影响顺序从大到小分别是旋转速度、往复距离和直线速度。结合单因素实验分析得出直径为0.5mm微电极植入最优方案:旋转速度0.5rad/s、往复距离10mm-5mm、植入速度为1.1mm/s。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和研究意义

1．2 课题研究的目的

1．3 国内外研究现状

1．3．1 脑深部刺激探针的研究

1．3．2 脑组织材料和数值模拟模型

1．3．3 微电极探针植入的路径规划实验

1．4 本文主要研究内容

第2章 脑组织生物力学性能的测量分析

2．1 脑组织压痕-松弛实验

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器

2．1．3 试验方法

2．1．4 实验数据处理分析

2．2 脑组织力学特性研究

2．2．1 超弹性本构模型及参数确定

2．2．2 粘弹性模型本构方程及参数确定

2．3 本章小结

第3章 脑组织生物力学模拟及仿脑组织材料配置

3．1 有限元建模仿真求解

3．1．1 创建脑组织三维模型

3．1．2 有限元分析步骤

3．2 数值模拟结果讨论

3．2．1 超弹性模拟结果讨论

3．2．2 粘弹性模拟结果讨论

3．2．3 模拟结果总结

3．3 仿脑组织材料配置

3．3．1 仿脑组织的性能要求

3．3．2 明胶凝胶特性分析

3．3．3 明胶凝胶配置实验

3．3．4 明胶水凝胶黏性调节

3．3．5 明胶凝胶力学性能测试实验

3．3．6 力学实验结果及分析

3．4 本章小结

第4章 微电极植入策略方案设计

4．1 微电极植入影响因素分析

4．1．1 脑组织不均匀性对植入路径的影响

4．1．2 脑组织粘弹性对植入路径的影响

4．2 微电极植入策略设计

4．2．1 旋转进给植入力学分析

4．2．2 旋转植入力学测试实验

4．2．3 往复植入力学分析

4．3 实验平台设计

4．3．1 机械进给装置及控制软件

4．3．2 图像采集

4．3．3 实验平台空精度检测及载实验

4．4 本章小结

第5章 微电极植入策略优化及分析

5．1 实验材料准备

5．1．1 实验样本材料

5．1．2 实验仪器

5．1．3 实验结果记录方法

5．2 正交实验方案

5．2．1 实验设计

5．2．2 实验及实验结果

5．3 数据分析

5．3．1．数据直观分析

5．3．2 数据的方差分析

5．3．3 单因素分析及参数确定

5．4 本章小结

第6章 总结

参考文献

致谢