脑深部刺激穿刺手术丘脑底核靶点核团组织的移位行为机理研究

In order to solve the clinical problem of target location inaccuracy which is caused by the changes of intracranial pressure and electrode puncture force during DBS surgery. The multi-layer brain tissues puncture kinetics modeling and STN target nucleus organization shift behavior theory will be built to fully reveal the mechanism of tissue shift behavior. A new method to control the compression of STN nucleus tissue and the friction force of the surface of the electrode is put forward to achieve the minimum STN shift. To explore the tissue translocation behavior which is caused by the change of chamber pressure and the dural opening in the closed chamber, a simulation model will be constructed using both simulation software and experiment to simulate the pressure of the brain in closed chamber. Finding control strategies of nucleus shift adjustment under the pressure. By testing the characteristics of the nucleus in the DBS, a hierarchical brain tissue constitutive model will be built to explore the optimal puncture path which is based on the brain tissue fiber. For reducing puncture friction effectively, the micro-texturing test with different forms and structural parameters will be tested. The puncture force of micro textured electrode will be measured, so that the parameter of the micro-texturing processing technology can be got. Based on the experiment the suitable micro-texturing parameters will be adopted. This research will provide a theoretical and technical guidance for DBS or other neurosurgical procedures.

为解决DBS手术中丘脑底核STN核团组织因术中颅腔压差变化和电极穿刺力产生的移位而导致的靶点定位不准等临床难题，从颅脑密闭腔室悬浮状软组织的形变控制和多层脑组织穿刺动力学建模着手，创建STN靶点核团组织移位行为理论体系,全面揭示组织移位行为机理。创新性地提出STN核团组织受压均衡控制和电极表面微织构化减摩方法，以实现颅脑STN核团组织移位控制。为探寻颅脑密闭腔室硬膜开孔导致腔室压差变化引起的组织移位行为，采用仿真及实验相结合构建密闭腔室悬浮状软组织压差变形移位仿真模型，探寻STN核团组织受压均衡控制的核团移位控制策略。通过测试DBS沿途核团组织特性，构建分层脑组织本构模型，探寻基于脑组织纤维走向的最佳穿刺路径。为有效减少穿刺摩擦力，开展不同形式及结构参数的微织构化试验，研究微织构加工工艺参数，测试微织构化电极的穿刺力，优选适合的微织构结构参数，为DBS或其它神经外科手术提供理论和技术指导。

针对穿刺路径上的脑组织力学特性研究缺乏的问题，采用根据脑深部刺激穿刺手术穿刺路径的脑组织分区域力学特性研究方法，建立针对穿刺这一特定行为的脑组织力学测试压痕试验接触模型。结合脑部生理结构进行皮层、放射冠、丘脑区域划分进行力学性能测试，对穿刺经过的最大区域放射冠进行不同测试平面及不同区域力学性能测试，并对猪脑和人脑皮层部分进行力学性能对比。结果表明穿刺路径上的脑组织区域之间具有力学性能差异，而猪脑与人脑皮层部位在整个松弛阶段只有短时冲击阶段表现出剪切模量差异，随着松弛阶段时间延长，猪脑与人脑皮层区域剪切模量逐渐减小。.针对穿刺过程中的摩擦力较大导致组织变形、降低靶点定位精度的问题，采用振动辅助穿刺减摩方法，建立振动辅助下的穿刺针-脑组织交互作用模型，并对振动辅助穿刺减摩作用机理进行分析，使用所建立的摩擦力模型分析在不同振动参数以及进针速度下各因素对摩擦力的影响利用实验验证了振动辅助减摩的现象，结果表明振动辅助在进针速度为1mm/s，振动频率为160Hz，振动幅值为2μm时可以有效减小摩擦力，其平均减摩最大值为17%。.采用亲水性织构表面减摩思想及不同针尖角对最大穿刺力的减小方案，对紫外激光加工参数在不锈钢表面产生不同形貌的表面织构进行实验，根据所产生的表面织构水滴润湿性效果以及加工效率选取合适的针轴加工工艺参数，结果表明在未浸于脑脊液中时，间距为0.1mm织构针表现出平均14%的摩擦力减小，而在浸于脑脊液中的摩擦力测试时，间距为0.1mm和0.3mm织构针均表现出明显减摩特性，分别减小26%和16%。在最大穿刺力方面较小的针尖角具有明显减小作用，在进针阶段穿刺力增长方面间距为0.1mm的45°针尖角织构穿刺针在未浸于脑脊液中时平均减小14%，在浸于脑脊液中时平均减小23%。表明进针阶段通过改变针尖切割力和针轴摩擦力可以带来穿刺力减小。