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基于有限元分析的脑深部刺激电极颅内穿刺机理研究

王琦  
【摘要】:脑深部刺激手术的成功率很大程度上取决于手术医师的熟练度和技巧,手术过程缺乏穿刺理论指导,且脑组织内部不可透视,穿刺设备对脑组织造成的影响在现实中很难研究,手术医师需要力学知识的引导。针对以上问题,本文结合实际手术条件,对手术过程进行了仿真模拟,对穿刺设备和脑组织之间的交互作用进行了研究。参考标准人头颈部断层扫描图谱,创建了各部分脑组织的立体模型,规划了颅内最佳穿刺路径;分析了脑组织刺破前/后套管针对脑组织的作用形式,对脑组织刺破过程进行了仿真分析,揭示了脑组织刺破机理;对穿刺路径上的脑组织进行了解剖学测量,得到了各部分脑组织厚度,建立了脑组织穿刺区域简化模型并对套管针进针进行了仿真研究,证明了该过程不会对靶点中心位置产生影响;建立了电极-脑组织动力学模型,对探测电极进针、抽针和刺激电极进针过程进行了仿真模拟,得出了手术过程靶点位移准确数据;分析和总结了电极下移的数据和原因,建立了刺激电极-脑组织静力学有限元模型并对电极下移过程进行了仿真模拟,总结得出了电极下移量和丘脑底核下移量的联系和规律。利用mimics软件蒙版编辑功能实现了白质和灰质蒙版的分离,建立了脑组织有限元基础模型。参考了神经解剖学结构,找到丘脑底核位置并进行了三维重建,将穿刺起始区域额中回和丘脑底核的连线确定为最佳穿刺路径,经测量得穿刺路径长度为71.11mm。分析了套管针刺破脑组织前/后过程,得出了以下结论:脑组织刺破前套管针主要受力为组织弹性恢复力;脑组织刺破后主要受力为切割力,摩擦力,和被膜阻力;分析了套管针刺破脑组织前/后过程,得出了以下结论:脑组织刺破前套管针主要受力为组织弹性恢复力;脑组织刺破后主要受力为切割力,摩擦力,和被膜阻力;基于真实实验数据确定了脑组织单元失效应变为1.3,在该应变失效条件下,脑组织刺破深度最接近实验数据;分析了脑组织刺破瞬间应力和位移分布图谱,得出脑组织最大应力位置出现在针尖周围,刺破机理如下:针尖对接触部分的脑组织产生挤压使接触部分脑组织下移,进而周围的脑组织被拉伸出现破裂。为研究套管针进针过程对丘脑底核的影响,对穿刺路径上不同类型脑组织进行了解剖学测量,测得灰质层厚度14.69mm,白质层厚度56.42mm,在穿刺路径方向和垂直穿刺路径方向,丘脑底核尺寸分别为6.05和5.45mm;基于测量数据创建脑组织穿刺区域简化模型并对套管针进针过程进行了仿真分析,得出了如下应力分析结论:套管针进针过程应力沿针头呈环形分布,针头下方应力和针头上方的应力在形成机制和应力方向上是不同的;证明了穿刺产生得波动效应会产生少量得应力和位移分布,但套管针进针产生的作用和波动效应不会对丘脑底核中心位置产生影响;建立了真实解剖学结构的脑组织动力学模型,对探测电极的进针、抽针过程和刺激电极进针过程进行了仿真模拟,得出了如下结论和数据:电极对丘脑底核得直接接触挤压作用会对其产生明显的应力和位移变化,探测电极进针过程对丘脑底核造成的最大位移量为1.49mm,抽针阶段不会对脑组织产生明显应力和位移变化,刺激电极进针过程对丘脑底核造成的最大位移量为1.57mm,组织回弹后丘脑底核比原位置下下移了0.44mm。利用控制面网格质量间接控制体网格质量的方法,构建了符合有限元分析网格质量标准的电极-脑组织有限元模型,为脑组织相关有限元分析前处理过程提供了方法参考和基础模型。对电极下移数据及原因进行了分析总结,得出电极下移平均数据为3.4mm;建立了电极-脑组织静力学有限元模型,根据脑组织正常生理状态确定了脑组织边界条件,在摩擦系数分别为0.05和0.1的条件下对电极下移2、3、4、5mm状况进行了仿真分析,得出丘脑底核下移数据大致为电极下移数据的一半。


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