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脑深部刺激术振动辅助穿刺减摩机理研究

脑深部刺激术振动辅助穿刺减摩机理研究

作者：吴闻昊山东大学

学位级别：硕士

脑深部刺激手术（DBS,Deep Brain Stimulation）是治疗帕金森病运动障碍的重要手段。在DBS中脑组织穿刺过程中摩擦力过大会直接降低穿刺过程中的靶点定位精度以及手术的成功率。本文以减小脑深部刺激手术中的穿刺摩擦力为目的,针对穿刺... 详细信息

脑深部刺激手术（DBS,Deep Brain Stimulation）是治疗帕金森病运动障碍的重要手段。在DBS中脑组织穿刺过程中摩擦力过大会直接降低穿刺过程中的靶点定位精度以及手术的成功率。本文以减小脑深部刺激手术中的穿刺摩擦力为目的,针对穿刺过程中组织和穿刺针的交互特点,在穿刺过程中引入针的轴向振动作为减摩手段,探究振动辅助脑深部刺激的减摩机理,本文研究内容如下:基于穿刺过程中针和组织间的交互作用,对振动条件下穿刺摩擦力进行了建模,分析了振动辅助穿刺过程中的摩擦力及等效摩擦系数,得到了振动条件下各参数对摩擦力的影响及摩擦力随各参数的变化趋势。对比分析了不同减摩效果时的振动参数条件,得到了振动对穿刺的减摩作用机理,为后续振动辅助穿刺研究提供了理论依据。通过实验证实了振动辅助穿刺在DBS手术穿刺脑组织过程中的适用性,表明了振动辅助穿刺可以有效减小脑组织穿刺过程中的摩擦力,在实验中摩擦力最多减小了 31%。通过实验验证了振动辅助穿刺过程中的参数交互现象。结果表明:振动参数乘积相同的不同组实验中,平均偏差最小为0.001 186mN,且相互不具有显著性。通过实验分析了振动辅助穿刺过程中摩擦力随振动参数变化的趋势,结果表明:摩擦力变化趋势与所建立摩擦力模型中预测的趋势相同,验证了摩擦力模型的正确性。通过理论分析探究了进针速度在振动辅助穿刺过程中对单位长度针所受摩擦力的影响,得到了进针速度-摩擦力曲线。通过实验验证了振动参数对穿刺过程中正压力的影响,结果表明:振动会减小部分正压力,但减小程度与振动参数无关,不同参数下的正压力大小平均减小8.1%,且相互不具有显著性。通过正交实验对振动辅助穿刺过程中的多个参数进行了优化,结果表明:在实验参数取值范围内,穿刺过程中的进针速度选择1m/s,振动频率750Hz,振动幅值10 μm为振动辅助穿刺的最优参数组合,为手术中使用振动辅助穿刺提供了参数选择上的参考。

关键词：帕金森病脑深部刺激振动振动辅助穿刺摩擦力

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脑深部刺激电极的结构优化及其模拟分析

西安交通大学学报 2008年第12期42卷 1537-1540页

作者：连芩王珏刘红忠张永睿王庆丰西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049 西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室西安710049

为了进一步揭示脑深部电刺激术中微脑电极的结构与电刺激参数之间的关联作用对神经活动的抑制机理,利用有限元方法,研究微脑电极刺激触点结构对其作用区域的刺激范围和刺激程度.分析结果表明,电极触点阵列,特别是触点长度和触点间距是... 详细信息

为了进一步揭示脑深部电刺激术中微脑电极的结构与电刺激参数之间的关联作用对神经活动的抑制机理,利用有限元方法,研究微脑电极刺激触点结构对其作用区域的刺激范围和刺激程度.分析结果表明,电极触点阵列,特别是触点长度和触点间距是微脑电极结构尺寸中的关键因素,也是对脑电极作用区域影响最大的结构尺寸.电极触点长度或触点间距的增加将会增大对脑部的刺激强度和刺激范围,同时触点长度2倍于触点间距将使得脑部的刺激更加平稳、有效.电极触点长度和触点间距不仅直接影响其作用位置,而且影响其对脑部作用区域的刺激强度和刺激范围的变化规律.研究结果为微脑电极的构建提供了新的设计依据.

关键词：脑深部刺激电极模拟分析结构优化

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基于磁场复制器的脑深部磁刺激方法研究

生物医学工程学杂志 2023年第1期40卷 1-7页

作者：吴念霜刘海军王家豪张丞吴昌哲霍小林张广浩中国科学院电工研究所、生物电磁学北京市重点实验室北京100190 中国科学院大学、电子电气与通信工程学院北京100049 上海成运医疗器械股份有限公司上海201619

现有神经调控技术可以实现全脑刺激或皮层精准刺激,但高聚焦性的脑深部刺激一直是该领域的技术瓶颈。本文以近年来出现的负磁导率理论为基础,建立磁场复制器仿真模型,研究脑深部感应电场分布,探讨其深部聚焦的可能性,并与传统磁刺激方... 详细信息

现有神经调控技术可以实现全脑刺激或皮层精准刺激,但高聚焦性的脑深部刺激一直是该领域的技术瓶颈。本文以近年来出现的负磁导率理论为基础,建立磁场复制器仿真模型,研究脑深部感应电场分布,探讨其深部聚焦的可能性,并与传统磁刺激方法进行对比。仿真结果表明,单个的磁场复制器实现了远程磁源的建立,与同样位置条件下的传统刺激方法相比,前者的感应电场较小且随距离出现骤减,通过磁场复制器的叠加可增加感应电场强度并提高聚焦性,减少外围导线数目仍可保证良好的聚焦性。本文建立的磁场复制器模型为脑深部精准刺激提供了新的思路,在未来可以与神经调控技术结合起来,为最终实现临床应用打下基础。

关键词：经颅磁刺激经颅电刺激负磁导率聚焦性脑深部刺激

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脑深部刺激微电极颅内植入穿刺机理研究

脑深部刺激微电极颅内植入穿刺机理研究

作者：岳鸿志山东大学

学位级别：硕士

脑深部电刺激术（deep brain stimulation, DBS）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,从而对某些神经系统疾病起到治疗的作用。但是,目前DBS也存在一些严重的并发症和副作用,... 详细信息

脑深部电刺激术（deep brain stimulation, DBS）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,从而对某些神经系统疾病起到治疗的作用。但是,目前DBS也存在一些严重的并发症和副作用,而其中一个重要原因就是微电极定位不准。为了保证穿刺定位精度,提高手术成功率,研究适合一次性成功植入的微电极结构优化和精密定位的驱动策略,开发更为可靠的穿刺设备十分必要,而对脑组织力学性能与穿刺机理的研究是该研究中最关键的部分。本文通过对试验、理论分析和有限元仿真结合的方法,以猪脑为研究对象,对脑组织的力学性能和穿刺机理进行了研究。对脑模型三维实体重建技术进行了介绍,并确定了重建的方案。分别从数字大脑模型与MRI三维扫描图像出发建立了人脑和猪脑的三维实体模型,并确定了脑深部电极植入的穿刺路径。研究发现,人脑与猪脑在结构上具有一定的相似性,穿刺路径上组织前半段以灰质为主,而后半段以白质为主,通过进行猪脑穿刺试验来研究人脑电极植入过程与机理是可行的。搭建了一个多功能脑组织测试平台,通过压缩-松弛试验测得了不同应变率条件下的脑组织应力-应变关系。利用准线性粘弹性模型,以Odgen超弹性模型定义脑组织瞬时力学特征,以Prony级数描述其粘弹性特征,得出了可用于有限元分析的脑组织粘弹性力学模型。提出了一种建立粘性超弹性模型的新方法,通过引入理想因子k,对弹性和粘性响应分别求解,并推算出理想阶跃压缩时松弛函数,建立了更为简单可靠的模型。得出在理想因子K取值为10时,本模型与试验数据最为吻合。提出了对松弛函数Prony级数阶数选择的判定标准。由于测试压缩速度和松弛时间有限,试验的短时和长时响应永远不可能测得,因此,为更好地描绘松弛曲线,只有Prony级数中的项对测试时间段影响远小于1时,才可以进行简化。并就此提出了脑组织模型应用范围的通用原则。一般情况下,模型应用的应变率不应超出测试的最大应变率,且模型应用的分析时间不应超出测试的时间。本文所建立的模型适用于分析时间小于20 s,应变率小于1 s-1的情况。通过进行脑组织穿刺试验测得了不同条件下穿刺过程中穿刺针的受力变化,对脑组织穿刺机理进行了研究。分析穿刺过程中的穿刺力变化曲线,讨论了穿刺过程的各个阶段的组织变形。试验发现,随着穿刺速度增加,刺破力变化不明显,刺破深度减小,而穿刺力峰值增大;随着穿刺针直径的增加,刺破力,刺破深度和穿刺力峰值都增大。利用能量分析法对穿刺过程进行了建模,在穿刺过程中,能量的来源为穿刺力对组织做功,而能量的消耗主要有：组织的压缩储存的弹性应变能,切开新组织消耗的表面能,穿刺过程中摩擦消耗的摩擦能和其它耗散能。就各个穿刺阶段的能量变化与所表现出的穿刺力变化进行了分析,模型从能量角度阐释了穿刺脑组织的机理,解释了穿刺速度与穿刺针直径对穿刺的影响。建立了电极穿刺脑组织的有限元模型,对穿刺过程进行仿真,获得了穿刺变形时针尖附近脑组织的变形及应力分布情况,并分析了不同穿刺条件对其影响。

关键词：脑深部刺激脑组织力学性能穿刺机理能量分析法

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脑深部刺激微电极穿刺灰白质仿生组织研究

脑深部刺激微电极穿刺灰白质仿生组织研究

作者：李丽红山东大学

学位级别：硕士

脑深部刺激（Deep brain stimulation, DBS）是运用立体定向手术在脑内特定的功能核团植入刺激电极,并对其进行高频电刺激,从而改变相应核团兴奋性以达到改善帕金森病（Parkinson’s disease, PD）的治疗效果。但是,目前DBS仍存在一些... 详细信息

脑深部刺激（Deep brain stimulation, DBS）是运用立体定向手术在脑内特定的功能核团植入刺激电极,并对其进行高频电刺激,从而改变相应核团兴奋性以达到改善帕金森病（Parkinson’s disease, PD）的治疗效果。但是,目前DBS仍存在一些严重的并发症和副作用,最重要原因之一为微电极对靶点定位不准。论文基于提出的双层脑组织简化模型,制备双层仿生脑组织进行大长径比微电极探针穿刺实验,研究不同进针策略对穿刺力和针尖偏移的影响,为临床DBS手术微创和微电极高精度植入提供理论指导。选用新鲜猪脑组织进行压痕松弛实验,获得灰质和白质的应力-应变曲线和松弛曲线。通过改变聚乙烯醇的配比和冷冻/解冻循环次数,制备力学性能不一的聚乙烯醇胶体并进行压痕松弛实验,实验结果表明,PVA:DMSO:去离子水质量比为5：160：40,经过1次冷冻/解冻循环的聚乙烯醇胶体以及PVA:DMSO:去离子水质量比为4：160：40,经过2次冷冻/解冻循环的透明聚乙烯醇胶体在硬度及粘弹性上分别与猪脑灰质和白质相近。根据脑组织解剖结构的复杂性和临床STN-DBS穿刺路径分析,提出灰白质双层脑组织简化模型,并结合Kelvin粘弹性模型构建双层脑组织粘弹性模型,完成该双层模型蠕变和应力松弛行为的理论推导;并对探针植入过程中组织变形和探针受力进行定性分析。对直径为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm的微电极探针进行不同角度和不同长度的探针针尖偏移测量实验。实验结果表明长80mm的探针中,直径为0.5mm的探针在水平进针时探针针尖偏移量最小为0.238mm,在竖直进针时探针针尖偏移量为0。在透明的仿生双层脑组织中进行了连续进针、非连续进针和往复进针实验,结果表明：往复距离为5mm的测试组,其穿刺力最大值相对于连续进针时减小了21.06%,偏移量减小了0.323mm。

关键词：脑深部刺激双层脑组织大长径比微电极穿刺力针尖偏移

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脑深部刺激微电极颅内植入驱动策略研究

脑深部刺激微电极颅内植入驱动策略研究

作者：刘培超山东大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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g1-p为0.9067、g2-p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。

关键词：脑深部刺激脑组织力学性能植入策略旋转植入往复植入正交实验

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脑深部刺激在阿尔茨海默病中的应用前景

中风与神经疾病杂志 2019年第1期36卷 82-85页

作者：祁婧郭建雄朱润秀内蒙古自治区人民医院神经内科内蒙古自治区呼和浩特市010017

在世界范围内,约有3500万人患阿尔茨海默病(AD),其发病率在未来10 y内预计还会增加,给公共卫生和医疗资源的分配带来巨大的挑战[1,2]。目前治疗AD的药物主要包括胆碱酯酶抑制剂(例如多奈哌齐、艾斯能、加兰他敏)以及NMDA受体拮抗剂(例... 详细信息

在世界范围内,约有3500万人患阿尔茨海默病(AD),其发病率在未来10 y内预计还会增加,给公共卫生和医疗资源的分配带来巨大的挑战[1,2]。目前治疗AD的药物主要包括胆碱酯酶抑制剂(例如多奈哌齐、艾斯能、加兰他敏)以及NMDA受体拮抗剂(例如美金刚),这些药物对AD的临床症状在短期内能发挥一定作用,但不能阻止疾病的进展。因此探索AD的替代治疗方法是必要的[3,4]。

关键词：阿尔茨海默病脑深部刺激

脑深部刺激微创电极颅内植入过程的有限元仿真研究

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脑深部刺激微创电极颅内植入过程的有限元仿真研究

作者：李守磊山东大学

学位级别：硕士

脑深部刺激手术过程中,由于植入电极与大脑之间的作用力而造成大长径比电极的弯曲变形、大脑内组织的形变,由此导致植入电极的刺激部位偏离预定靶点的位置,因而造成手术的失败,本文利用有限元仿真软件建立电极植入大脑过程的仿真模型,... 详细信息

脑深部刺激手术过程中,由于植入电极与大脑之间的作用力而造成大长径比电极的弯曲变形、大脑内组织的形变,由此导致植入电极的刺激部位偏离预定靶点的位置,因而造成手术的失败,本文利用有限元仿真软件建立电极植入大脑过程的仿真模型,设计微电极植入大脑组织的实验平台以验证仿真模型,从而为减少脑深部刺激手术的误差、提高靶点定位的精度提供理论依据。针对颅脑组织生物力学性能特殊、内部结构复杂等特点,结合不同材料本构方程的形式和适应范围,研究颅脑组织的材料特性以及常用的研究方法,对颅脑组织采取不同模型的情况进行对比,本文选择Mooney-Rivlin本构方程作为颅脑组织非线性超弹性特征的力学模型,Mooney-Rivlin本构方程需要材料参数较少,并且非常稳定,同时可以用计算结果预测其它变形结果,经实验计算得到本构方程参数C10=4.689×103Pa, C01=-5.196×103Pa。为了研究电极尺寸、电极植入速度、电极旋转速度等因素对电极植入过程中刺破力的影响,利用有限元仿真软件对电极植入脑组织的过程进行动态仿真,仿真结果表明：对直径为0.8mm的电极,其植入速度由1mm/s增加到4mm/s时,电极所受刺破力也随之增加,由0.09N增大到0.15N,加入电极旋转速度后电极的受力减少,电极的直径尺寸增加时电极尖端受力增加,由电极直线速度、旋转速度、电极直径对刺破力峰值的影响因素正交分析可知：电极直径对刺破力峰值的影响远远高于电极的直线速度和旋转速度对刺破力峰值的影响。为了验证上文建立的有限元模型的正确性,设计模拟电极植入脑组织的实验,包括实验的要求、实验平台的搭建、实验数据的采集分析处理等,最后进行实验,当电极分别以1mm/s、2mm/s、3mm/s、4mm/s植入大脑时,通过传感器采集到数据并加以分析,得到电极末端刺破力的值分别为0.1092N、0.1087N、0.1192N、0.1500N,通过与有限元仿真的结果相比较,仿真结果的峰值均处在实验结果峰值的偏差范围内,由此验证了仿真模型的正确性,最后分析了实验与仿真结果存在一定误差的原因。

关键词：脑深部刺激刺激电极有限元建模仿真电极植入平台

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脑深部神经刺激微电极的表面改性研究

西安交通大学学报 2011年第10期45卷 98-103页

作者：白宗旭刘亚雄王会友丁玉成西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049

为了提高脑深部刺激电极的生物相容性,降低脑组织的免疫反应,减少或抑制电极周围包裹物的形成,对电极植入端聚氨酯材料进行了表面改性处理.首先用N_2/H_2进行等离子体处理,在电极表面生成活性基团——氨基,再利用电极表面的氨基基团与YI... 详细信息

为了提高脑深部刺激电极的生物相容性,降低脑组织的免疫反应,减少或抑制电极周围包裹物的形成,对电极植入端聚氨酯材料进行了表面改性处理.首先用N_2/H_2进行等离子体处理,在电极表面生成活性基团——氨基,再利用电极表面的氨基基团与YIGSR多肽分子发生聚合反应,从而实现在电极表面修饰上对神经细胞具有促进生长作用的多肽分子.改性电极的大鼠植入实验结果发现,改性电极能够在一定程度上减少胶质包裹物的形成,有利于电极与神经细胞之间接触,增加有效刺激体积,证明了电极聚氨酯材料表面接枝聚合生物大分子的可行性,对今后电极表面改性的深入研究具有一定的参考意义.

关键词：脑深部刺激生物电极等离子体处理表面改性