针状脑部植入电极微动损伤与植入损伤研究

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脑机接口（Brain-computer interface，BCI）技术在大脑神经系统与外部环境间建立了一种全新的交流方式，对于它的研究在理论与现实应用中有着巨大的前景。研究和发展脑机接口技术不仅可以有助于人类自身对神经系统原理的了解，更重要的是可以帮助神经性疾病或残疾患者以及交流障碍者恢复他们的控制和交流功能。
　　脑部植入式神经电极作为脑机接口系统一个重要的构成部分，具有空间分辨率和信噪比高以及信号后处理简单等优点。然而，目前神经电极微动损伤与植入损伤造成的神经组织炎性反应已成为影响神经电极长期寿命的重要因素。如何减少神经电极在植入过程产生的植入损伤和植入后产生的长期微动损伤，以提高电极的长期寿命是植入式神经电极技术面临的重大挑战。
　　本文首先采用数值仿真法预测脑组织微动损伤，基于超粘弹性材料本构对神经电极-脑组织模型进行有限元分析，计算了神经电极形状参数（包括过渡圆角、楔形角、厚度）对于微动损伤的影响规律；其次分别基于单元删除法与内聚力模型法研究神经电极在植入过程中产生的植入损伤，考察神经电极楔形角、植入速度、电极流线型以及电极刚度对急性损伤的影响规律；最后建立了神经电极植入损伤评估测试系统，基于数字图像相关法，研究了脑组织模型在不同电极形状参数和植入速度下的变形场。
　　本文研究结果如下：（1）20μm圆角半径可将最大应变与损伤区域控制在较小范围；70°楔形角可使最大应变降低10.34％，损伤区域减少34.52%；电极厚度为15μm时损伤区域最小。（2）相比90°楔角，150°楔角产生的应变值增加37.1%；100μm/s慢速植入时，植入路径上组织应变值均高于57%，500μm/s较高速植入时路径上组织应变均低于25%；而电极刚度对植入损伤影响不明显。（3）实验结果表明，较小的楔形角、外凸流线型和较高的植入速度有利于降低电极植入损伤。基于损伤测试结果，提出一种新型神经电极设计，电极采用半圆角尖端，并涂覆可降解带流线型蚕丝蛋白涂层，所设计电极兼具低植入损伤与微动损伤，对提高神经电极长期工作寿命具有积极作用。

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作者
马亚坤;
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作者单位

上海交通大学;

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授予单位上海交通大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名张文光;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类接口装置、插件;生物材料学;
关键词
脑机接口; 神经电极; 组织损伤; 有限元分析; 数字图像相关法;

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