【摘要】：針對丘腦底核腦深部刺激手術因穿刺理論缺乏、穿刺設備落后而導致的靶點定位精度低及顱腦損傷大的問題,本文結合手術條件研究了穿刺涉及區(qū)域腦組織的材料力學屬性;分析了不同穿刺條件下腦組織對電極的穿刺反應,得出了穿刺過程中腦組織的變形及受力規(guī)律;設計并制備了多種微織構穿刺針,通過穿刺測試驗證了微織構穿刺針的穿刺效果,揭示了其穿刺減摩原理;提出了顱內規(guī)劃路徑的顱外無框式正交定向方法,開發(fā)了無框式正交定向自動穿刺平臺,建立了仿顱腦透明穿刺模型,通過穿刺實驗驗證了無框式正交定向方法對提高靶點定位精度的可靠性。結合手術條件,對穿刺涉及區(qū)域腦組織的材料力學屬性進行了分區(qū)域研究。分析了大腦皮質刺破前套管電極對完整腦組織的小截面壓縮作用及刺破后套管電極對穿刺路徑上腦組織的徑向壓痕-松弛作用,建立了完整腦組織的穿刺力學模型及描述腦組織壓痕-松弛過程的遺傳積分模型。制備了完整豬腦組織樣本,對其進行了穿刺測試;制備了含穿刺路徑的大截面及大厚度腦組織切片,對穿刺路徑通過的6個區(qū)域進行了壓痕-松弛測試。求得了完整腦組織的彈性模量及穿刺路徑上不同區(qū)域腦組織的剪切松弛模量,分析了不同區(qū)域腦組織材料力學屬性的差異性。結果表明:刺破前的完整腦組織呈明顯的線性或非線性彈性,其線性彈性模量為4.044kPa,非線性彈性模量的范圍為3.027kPa～5.032kPa;刺破后穿刺路徑上的腦組織呈明顯的粘彈性,可用各區(qū)域的剪切松弛模量G(t)準確表征;根據(jù)剪切松弛模量的差異性可將6個測試區(qū)域劃分為三類,各類型內部腦組織的材料力學屬性無顯著性差異,但類型之間的腦組織存在顯著性差異。根據(jù)靶點定位誤差及穿刺損傷的來源,對腦組織進行了模擬套管電極穿刺過程的單次穿刺測試和模擬永久刺激電極與記錄電極更換過程的二次穿刺測試。分析了導致靶點定位誤差和穿刺損傷的腦組織變形及穿刺力情況。得出了如下穿刺結論:腦組織變形及穿刺力主要集中在軸向;單次穿刺測試中,皮質表面隨針尖位置呈規(guī)律性的上下變動;在不同的穿刺階段,穿刺力呈不同的規(guī)律性變化;皮質表面的刺破深度和刺破力之間具有高度正相關性,隨穿刺速度的增長呈現(xiàn)同步的波動,利用尋找波谷的方式可獲得減小皮質表面刺破深度和刺破力的最優(yōu)穿刺速度2.5 mm/s;減小針軸摩擦力是減小刺破后腦組織變形及穿刺力的措施;對于二次穿刺測試,第二次進針過程中腦組織變形、穿刺力及穿刺力增長率明顯降低;若采用相同進針深度,則第二次進針過程將產生針尖對靶點的穿刺過深現(xiàn)象。結合微織構對摩擦表面的減摩思想,提出了在套管電極圓柱表面加工微織構的思路,并進行了微織構穿刺針的制備。優(yōu)化了納秒激光對316L不銹鋼材料的加工工藝參數(shù):功率0.04 W、重復頻率75 KHz、掃描速度400 mm/s、掃描次數(shù)2次。在316L不銹鋼平板上制備了間距為0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm的直線型微織構陣列。根據(jù)不同陣列內水滴浸潤性的改善情況,初選0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm為針軸上微織構的加工間距。采用納秒激光制備了以上間距的直線型、環(huán)型及螺旋型微織構穿刺針。使用微織構穿刺針和光滑不銹鋼針對豬腦組織進行了 2 mm/s、3 mm/s和4 mm/s的穿刺測試。分析了針軸上腦組織的附著情況,對比了針軸摩擦力增長率的數(shù)值。結果表明:直線型微織構穿刺針無腦組織的附著,環(huán)型及螺旋型微織構穿刺針存在不同程度的腦組織附著;間距為0.2 mm的直線型微織構穿刺針具有最優(yōu)穿刺減摩效果,與光滑不銹鋼針相比,其針軸摩擦力增長率降低了 22.4%～40%。分析其穿刺減摩原理為:合適間距的微織構能增強針軸對腦脊液的捕捉性能,使之在針軸與腦組織之間形成液體潤滑膜,進而減小對腦組織的穿刺摩擦力;微織構還能減小針軸與腦組織的實際摩擦面積,從而減小穿刺摩擦力。針對有框式腦立體定向儀引起的顱腦損傷大及靶點定向精度低的問題,提出了顱內規(guī)劃路徑的顱外無框式正交定向方法,指出了將規(guī)劃路徑調整至豎直方向的原理步驟。開發(fā)了相應的無框式正交定向自動穿刺平臺,建立了靶點可透視的仿顱腦透明穿刺模型。利用該平臺對仿顱腦透明穿刺模型進行了顱內規(guī)劃路徑的顱外無框式正交定向操作及靶點的豎直穿刺定位過程。結果表明:無框式正交定向法調整的實際穿刺路徑與規(guī)劃路徑可高度重合;針尖可準確定位穿刺模型的靶點中心,在50 mm的檢測長度上,針尖的橫向偏斜量僅為0.146 mm。
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【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH77
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本文編號：2367906