基于神经电极形状参数的脑组织微动损伤仿真VIP免费

第49卷第12期2015年12月上海交通大学学报JOURNALOFSHANGHAIJIA0TONGUNIVERSITYV01．49NO．12Dec．2015文章编号：1006—2467(2015)12—1882—06+1906DOI：10．16183／j．cnki．jsjtu．2015．12．021基于神经电极形状参数的脑组织微动损伤仿真马亚坤，张文光，李正伟(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240)摘要：为了预测脑组织微动损伤，采用数值仿真法，基于超黏弹性本构对神经电极一大脑组织模型进行数值仿真，分析了神经电极形状参数(过渡圆角、楔形角、厚度)对脑组织微动损伤的影响规律．结果表明：圆角半径为20m时最大应变与损伤区域均控制在较小范围；楔形角取为7O。可降低最大应变10．34，减少损伤区域34．52％；电极厚度为15m时损伤区域最小．关键词：微动；神经电极；形状参数；有限元中图分类号：R318．O1；Q66文献标志码：ASimulationofBrainMicromotionInducedInjuryBasedonInvestigationofNeuralProbeGeometryParametersMAYa～kun，ZHANGWen—guang，LJZheng—wei(StateKeyLaboratoryofMechanicalSystemandVibration，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240，China)Abstract：Inordertopredictmicromotioninducedinjury，finiteelement(FE)models，utilizinghyper—vis—coelasticconstitutiveequations，weredevelopedtoconductaseriesofnumericalsimulationsoftheneuralprobe—brainmode1．Theinfluencesofneuralprobegeometryparameters(e．g．tipfillet，wedgeangle，wallthickness)onmicromotioninducedbraininjurywereinvestigated．Theresultsshowthatthefilletradiusof2Omicrometerskeepsboththemaximumstrainandinjuryzoneinasmallregionwhilethewedgeangleof70degreeleadstoa10．34reductioninthestrainanda34．529／6reductionintheinjuryzone．Thewallthicknessof15micrometersgeneratestheminimalinjuryzone．Keywords：micromotion；neuralprobe；geometryparameter；finiteelement神经电极作为连接神经组织与外部设备的关键部件，在癫痫、帕金森疾病、脊髓损伤以及其他神经系统疾病辅助治疗等临床应用中具有广泛的应用前景．目前，神经电极植入脑组织后，可在短期内记录个体神经元或神经元群体的活动，而在长期记录神经信号方面非常困难口]．影响电极长期寿命最为可能的原因在于随着时间推移，电极周围产生不可避免的组织免疫反应，进而导致电极表面组织包裹产生，使得神经信号质量随之衰减剖．研究表明，免疫反应的主要因素来源于电极一脑组织间的微动、导线的牵扯力、与脑膜的长期接触等，而微动产生的组织损伤是导致组织包裹产生的最关键因素之一[4]．因收稿日期：2014—12-12基金项目：国家自然科学基金项目(51175334)，上海交通大学医工(理)交叉基金项目(YG2013MS06)资助作者简介：马亚坤(1990一)，男，江苏省扬州市人，硕士生，主要研究方向为低损伤神经电极设计、生机电系统设计等E-mail：yakunsjtu@sjtu．edu．cn；张文光(联系人)，副教授，硕士生导师，电话(Te1．)：02134204851；E—mail：zhwg@sjtu．edu．cn．第12期马亚坤，等：基于神经电极形状参数的脑组织微动损伤仿真此，如何减少微动导致神经电极工作寿命缩短的问题已成为当前神经电极研究的热点．目前，已有一些学者开展了针对微动影响神经电极与脑组织界面力学状态的研究，其主要是从材料设计角度来改变电极与组织间的力学匹配性能，采用柔性基体(如聚合物基)代替硅基以改变电极与组织间的刚度匹配_81．此种材料设计方法容易对神经信号采集效率产生负面影响，且在电极纵向方向减少微动损伤无明显效果_2-9_．此外，引入柔性结构不利于电极在脑组织中的定位，从而影响目标神经电信号的准确记录．事实上，由于电极与脑组织直接接触，其本身的形状参数则非常重要，若能合理设计电极几何尺寸与外形，就有可能有效抑制微动带来的组织损伤，给电极设计带来有利影响．因此，本文拟从神经电极本身结构设计角度出发，保留传统硅基电极的优势，寻找可以突破柔性材料替换方法局限性的新方法．目前，由于脑组织一电极界面的复杂性，通过动物实验的方法难以获得精确的实验...