多柄魚骨狀神經(jīng)電極的微動模擬與優(yōu)化設(shè)計

尹雪樂，張文光，唐嘉琪，于 謙

(上海交通大學(xué) 機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240)

植入式腦部神經(jīng)電極是神經(jīng)系統(tǒng)和腦機接口系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它直接與神經(jīng)組織接觸，負(fù)責(zé)神經(jīng)組織與外部電子設(shè)備的連接.植入式神經(jīng)電極不僅可以錄制神經(jīng)電信號，還能夠?qū)ι窠?jīng)進(jìn)行電刺激，因而廣泛應(yīng)用于癲癇、中風(fēng)、帕金森癥和脊髓損傷等疾病的治療[1].當(dāng)前，神經(jīng)電極的應(yīng)用面臨著長期穩(wěn)定性差、使用壽命短的技術(shù)難題.研究表明，電極植入時對腦組織造成的植入損傷[2]，以及植入后腦組織微動帶來的微動損傷[3]，均會激發(fā)組織的免疫反應(yīng)，最終在電極表面產(chǎn)生組織包裹，阻斷神經(jīng)電極與神經(jīng)元之間的電信號傳輸，從而導(dǎo)致電極的失效.其中，微動損傷是導(dǎo)致組織包裹和電極失效的最關(guān)鍵因素[4].因此，有效減少微動造成的組織損傷，是延長電極使用壽命的主要手段之一，已成為當(dāng)前神經(jīng)電極研究的熱點.

引起電極與腦組織相對微動的因素主要包括[5-6]：機械因素、行為因素以及生理因素.機械因素是指通過外部設(shè)備與顱骨傳遞給電極的振動；行為因素指頭部或身體的運動；而生理因素主要是指由于心臟跳動節(jié)律以及呼吸頻率變化而產(chǎn)生的腦血管壓力.在各種因素中，以生理因素引發(fā)的縱向微動的危害最大，因此目前主要研究縱向位移引發(fā)的微動損傷.

神經(jīng)電極與腦組織界面良好的電學(xué)性能對神經(jīng)電極的長期植入過程有著至關(guān)重要的作用.目前有2種方法可以提高電極所采集信號的強度：① 對電極表面進(jìn)行優(yōu)化(如使用導(dǎo)電涂層來修飾電極表面)，以增強電荷的傳輸能力[7]；② 通過改變電極的形狀結(jié)構(gòu)來增加電極位點數(shù)量，從而增加電荷通量[8]，現(xiàn)有研究中多采用多桿電極陣列來增加電極位點數(shù)，但這往往造成了更大面積的組織損傷.此外，電極的位點分布對于電信號的采集和處理具有非常重要的作用.電極位點分布過密，會導(dǎo)致各個電極位點采集的信號范圍重疊，造成資源浪費；電極位點分布太疏，會使得各位點采集范圍之間出現(xiàn)未覆蓋區(qū)域，導(dǎo)致采集到的腦電信號不完整，給信號的分析處理帶來不便.因此，適當(dāng)增加電極位點數(shù)量并對其進(jìn)行合理分布，對獲得高品質(zhì)的記錄信號具有重大意義.

目前，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者致力于優(yōu)化電極形狀結(jié)構(gòu)，以有效抑制微動造成的組織損傷[9].Wu等[10]提出并制造了一種魚骨狀的聚酰亞胺柔性電極.該種電極針尖處采用了魚骨狀的形狀設(shè)計，8個位點分別位于8個側(cè)柄的頂端，與主柄間隔100 μm.此外，該電極涂有可生物降解的蠶絲蛋白涂層，用于在植入時增強機械強度.電極植入后蠶絲蛋白涂層能在數(shù)小時內(nèi)被體內(nèi)蛋白酶降解，剩余魚骨狀電極存留在腦組織中.對該魚骨狀電極進(jìn)行的植入實驗，證明其具有可制造性和可植入性[10].

基于以往的研究結(jié)果，可推測文獻(xiàn)[10]提出的魚骨狀結(jié)構(gòu)對減少腦組織微動損傷有利.同時，由于魚骨結(jié)構(gòu)增加了多個側(cè)柄，使得魚骨電極相對于普通電極而言可以增加位點數(shù)目，有助于增強信號強度，因此有望成為一種可用于臨床的長壽命電極.然而，對于魚骨狀結(jié)構(gòu)能否有效降低腦組織微動損傷的問題，文獻(xiàn)[10]并沒有進(jìn)行驗證.因此，魚骨結(jié)構(gòu)對于降低腦組織微動損傷的有效性還需要進(jìn)一步的研究.

由于腦組織-電極接觸界面的復(fù)雜性，難以通過精確的實驗結(jié)果來衡量腦組織的微動損傷，有限元模擬法是目前研究微動損傷最有效的手段之一.利用有限元軟件對腦組織-電極的微動過程進(jìn)行模擬分析，并通過腦組織的應(yīng)力、應(yīng)變和變形來反映其微動損傷的程度.本文針對魚骨狀神經(jīng)電極，采用數(shù)值模擬方法，對魚骨電極-腦組織模型進(jìn)行有限元分析，并與廣泛應(yīng)用于臨床的硅基單柄電極(Neuro Nexus公司生產(chǎn)，型號A1x16-3mm-50-177)進(jìn)行對比，從而驗證了魚骨結(jié)構(gòu)有助于減少微動損傷.此外，為進(jìn)一步提高信號強度，并考慮到電極位點分布的合理性，提出一種新型魚骨狀多柄電極，將其與原魚骨電極，以及同位點分布的商業(yè)三桿電極進(jìn)行對比分析.研究結(jié)果可為電極形狀優(yōu)化設(shè)計和降低微動損傷提供參考依據(jù).

1 神經(jīng)電極-腦組織模型

1.1 有限元模型建立

采用SolidWorks 2014三維建模軟件建立電極-腦組織模型，由于整個裝配體模型關(guān)于xOy平面和yOz平面對稱，為提高計算效率，采用1/4對稱模型.圖1(a)和(b)所示分別為魚骨電極-腦組織和傳統(tǒng)商業(yè)電極-腦組織的1/4有限元模型.電極植入腦組織的部分為電極柄部，由于電極失效一般都發(fā)生在柄部位點周圍區(qū)域，故在模擬分析過程中主要考慮電極柄的部分.圖1(c)所示為魚骨電極柄部整體示意圖，其總長為3 mm.圖1(d)顯示了電極針尖處的魚骨狀結(jié)構(gòu)，其形狀尺寸與文獻(xiàn)[10]提出的魚骨電極保持一致，主要幾何參數(shù)：w=85 μm，a=100 μm，b=14 μm，c=180 μm，θ=30°，厚度為30 μm.作為對比，傳統(tǒng)商業(yè)電極選用NeuroNexus公司生產(chǎn)的A1x16-3mm-50-177型號電極.

圖1 電極與腦組織有限元模擬模型Fig.1 Finite element models of electrode and brain tissue

同時，大腦的幾何模型可以合理簡化.由于腦組織發(fā)生微動損傷的區(qū)域通常在電極周圍數(shù)百微米范圍內(nèi)[11]，為了對敏感區(qū)域進(jìn)行限制，本文將電極中心線與腦組織模型的邊界距離定義為750 μm，使其將微動產(chǎn)生的所有應(yīng)變場都包含在內(nèi)，以消除邊界效應(yīng)的影響.

由于腦組織與電極的相對微動可以看作是隨時間變化的位移載荷，所以采用瞬態(tài)動力學(xué)分析來進(jìn)行電極-腦組織的微動過程模擬.本文采用ANSYS Workbench 15.0 的Transient Structural瞬態(tài)動力學(xué)模塊進(jìn)行有限元分析.

1.2 材料定義與網(wǎng)格劃分

要對神經(jīng)電極-腦組織接觸模型進(jìn)行數(shù)值模擬，首先必須對電極和腦組織材料進(jìn)行定義.本文中電極為硅基電極，將硅視為線彈性材料，彈性模量設(shè)置為200 GPa，泊松比為 0.278，密度為 2.34 g/cm3.腦組織被植入的位置為大腦皮層，與大部分生物材料相似，它具有彈性和黏性.研究證明，大腦微動產(chǎn)生的變形是大應(yīng)變變形(即應(yīng)變超過了5%)[14]，因此，需要采用超彈性本構(gòu)模型來描述腦組織的力學(xué)特性.本文采用Ogden超彈性本構(gòu)模型和 Prony 級數(shù)定義的黏彈性本構(gòu)模型來描述腦組織特性.所采用的腦組織密度為 1.042 5 g/cm3，腦組織超彈性與黏彈性材料參數(shù)：μ=5.16 kPa，α=6.95，G1=0.583 7，τ1=25.71 ms，G2=0.238 7，τ2=25.7 ms[12].其中：μ和α為由實驗數(shù)據(jù)擬合確定的材料常數(shù)；Gk和τk(k=1,2)為松馳系數(shù)和松馳時間.

對電極和腦組織劃分網(wǎng)格，采用六面體單元，單元尺寸設(shè)置為 0.08 mm.為使模擬結(jié)果更加精確，對電極-腦組織接觸區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，單元尺寸細(xì)化至 0.03 mm，最終將電極和腦組織劃分為 38 831 個單元.

1.3 載荷與約束條件

由于本文采用1/4對稱的電極-腦組織模型，故對整體模型設(shè)置xOy平面和yOz平面的對稱約束.在模擬初始狀態(tài)，電極與腦組織緊密接觸，在創(chuàng)建界面接觸時，將電極設(shè)置為目標(biāo)面，腦組織設(shè)置為接觸面.由于電極與腦組織間具有黏附作用，接觸類型選擇摩擦接觸，接觸算法采用增廣拉格朗日乘子法，并將摩擦因數(shù)定義為 0.5[5].由于大腦皮層往下延伸通過腦干連接至脊髓，大腦的運動受到限制，故定義邊界條件時，腦組織應(yīng)固定下表面，約束其所有自由度，而將上表面設(shè)為自由面.

在腦組織微動中，以生理因素引發(fā)的縱向微動危害最大，因此本文主要研究縱向位移引發(fā)的微動損傷.參考Gilletti等[6]測定的實驗數(shù)據(jù)，將微動設(shè)置為幅值10 μm、頻率為4 Hz的位移載荷，并施加于電極上表面.

2 模擬結(jié)果分析

2.1 魚骨狀電極與傳統(tǒng)商業(yè)電極的對比

分別對魚骨電極-腦組織和傳統(tǒng)商業(yè)電極-腦組織模型進(jìn)行有限元模擬，得出了腦組織的應(yīng)力、應(yīng)變和變形.2種電極造成的腦組織損傷參數(shù)如圖2所示，其應(yīng)變分布云圖如圖3所示.

由圖2可以看出，相比于傳統(tǒng)商業(yè)電極，魚骨狀電極大幅度降低了腦組織的應(yīng)變(ε)、應(yīng)力(σ)和變形(Δs)，降低量分別為 88.75%、96.34% 和 80.52%.由圖3可見，傳統(tǒng)針狀電極造成的腦組織損傷主要集中于針尖處，損傷程度高，且有大片區(qū)域的應(yīng)變超過 1.5% (見圖3(a))，這主要是因為針狀結(jié)構(gòu)對腦組織造成的應(yīng)力較大.而文獻(xiàn)[10]提出的魚骨電極造成的微動損傷主要分布在電極柄部拐角處，損傷程度低，且只有極小的紅色區(qū)域腦組織應(yīng)變超過了 1.5% (見圖3(b)).由此可見，魚骨狀電極對腦組織造成的損傷程度和損傷區(qū)域都較小.據(jù)此，可以推測電極的形狀結(jié)構(gòu)將顯著影響腦組織的微動損傷，且魚骨狀結(jié)構(gòu)對于降低微動損傷具有非常明顯的作用.

圖2 2種不同電極的腦組織微動損傷模擬結(jié)果Fig.2 The simulated results of micromotion induced injury of two different electrodes

圖3 2種不同電極的模擬應(yīng)變云圖Fig.3 The simulated strain cloud of two different electrodes

圖4 魚骨結(jié)構(gòu)的電極柄數(shù)對微動損傷的影響Fig.4 Effects of the number of electrode shanks on micromotion induced injury

2.2 電極柄數(shù)對微動損傷的影響

為了驗證魚骨結(jié)構(gòu)中電極柄數(shù)對微動損傷的影響，保持其他參數(shù)不變，只改變電極的柄數(shù)，利用有限元模擬方法進(jìn)行了分析.圖4分別給出了不同電極柄數(shù)下的腦組織最大應(yīng)變、應(yīng)力和變形.由模擬結(jié)果可以看出：當(dāng)電極柄數(shù)較少時，腦組織微動損傷較大；當(dāng)電極柄數(shù)達(dá)到6以上時，腦組織應(yīng)力、應(yīng)變和變形大幅度降低(降低了80%以上)，并趨于穩(wěn)定.這是因為當(dāng)電極柄數(shù)增加到6以上時，電極與腦組織間的接觸面積增大，力學(xué)耦合性能增強，使得微動造成的腦組織損傷降低.由此可知，為降低微動損傷，應(yīng)選擇6及以上柄數(shù)的電極，這也驗證了文獻(xiàn)[10]所提出的8柄魚骨電極的合理性.

由圖4可知，電極的魚骨結(jié)構(gòu)對于降低腦組織微動損傷具有顯著作用，這主要有兩方面的原因.從組織學(xué)上分析，Seymour等[13]研究表明，相比于大尺寸結(jié)構(gòu)，亞細(xì)胞尺寸結(jié)構(gòu)有助于減少電極造成的組織反應(yīng)，進(jìn)而降低微動損傷.此外，相對于實心電極來說，帶有開口區(qū)域的電極可以提升免疫反應(yīng)產(chǎn)生的膠質(zhì)細(xì)胞的擴散率[14]，從而減少了電極位點處的組織包裹.因此，在魚骨狀電極中，其小尺寸側(cè)柄及側(cè)柄與主柄間的大片開口區(qū)域減少了該電極造成的組織反應(yīng)，對于降低微動損傷具有積極作用.另一方面，從力學(xué)性能上分析，魚骨狀電極的多個側(cè)柄增加了電極與腦組織的接觸面積，當(dāng)腦組織產(chǎn)生微動時，其相對受力面積增加，兩者間的力學(xué)耦合性增強，相對微動減少，從而產(chǎn)生了較小的微動損傷.另外，以上模擬結(jié)果說明，電極側(cè)柄數(shù)的增加不僅能夠增加電極位點數(shù)目，提高信號強度，同時也降低了腦組織損傷，有助于減少組織包裹.因此，可以推測，魚骨狀設(shè)計對提高電極長期工作壽命具有重要作用.

3 新型多柄魚骨電極的設(shè)計

根據(jù)以上分析，電極的魚骨結(jié)構(gòu)能夠有效降低腦組織微動損傷.然而文獻(xiàn)[10]所提出的8柄魚骨電極仍有一定不足，在形狀結(jié)構(gòu)上可以進(jìn)一步改進(jìn).另外，電極的位點數(shù)量及分布情況對獲得高品質(zhì)記錄信號具有重要作用.因此，考慮到電極位點分布的最優(yōu)性，提出了一種新型多柄魚骨電極.

根據(jù)Eaton等[15]的預(yù)測，每個電極位點能采集到不大于130 μm距離內(nèi)的電信號，而Polikov等[16]的研究表明，該距離在50～100 μm，不妨將這個距離定為100 μm，則兩個電極位點之間的最優(yōu)距離為200 μm，這樣使得整個電極能測得其測量范圍內(nèi)最完整的電信號.在此理論基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種新型多柄魚骨電極，參考上文中的研究結(jié)論，將側(cè)柄數(shù)定為8.該新型電極針尖處結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(a)所示，其主要參數(shù):w=85 μm，a=200 μm，b=200 μm，c=16 μm，R1=50 μm，R2=20 μm，R3=80 μm.該電極共有12個位點，分布在側(cè)柄和主柄上，相鄰位點的距離均為最優(yōu)距離200 μm.與原魚骨電極相比，該新型魚骨電極在尺寸上進(jìn)行了改進(jìn)，在魚骨結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了電極位點數(shù)目并進(jìn)行了最優(yōu)化分布，且在各個拐角處和側(cè)柄尖端處均采用了圓弧設(shè)計，以減少應(yīng)力集中.該新型電極不僅能夠提高信號強度，同時有助于進(jìn)一步降低微動損傷，這對神經(jīng)電極的優(yōu)化設(shè)計具有重大意義.

為驗證該新型魚骨電極降低微動損傷的有效性，對該電極-腦組織模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并將結(jié)果分別與原魚骨電極和具有相同位點分布的商業(yè)三桿電極的模擬結(jié)果進(jìn)行對比.商業(yè)三桿電極的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(b)所示.該電極共有12個位點，每桿等距分布4個，其主要參數(shù):w=83 μm，a=200 μm，b=200 μm.可見，該電極的位點分布與本文提出的新型魚骨電極完全一致，即它們接收的電信號范圍及電荷通量完全相同.3種電極的模擬結(jié)果如圖6所示.由圖可見，與原魚骨電極相比，新型魚骨電極的應(yīng)變、應(yīng)力和變形都有了大幅下降，分別降低了 73.23%、48.78% 和 76.92%.而在測得相同電信號的前提下，相比于商業(yè)三桿電極，新型魚骨電極對腦組織造成的損傷極為輕微.這表明，在保證電荷通量相同的情況下，采用該新型魚骨電極代替商業(yè)三桿電極，可以極為有效地減輕腦組織微動損傷.

圖5 新型魚骨電極和商業(yè)三桿電極結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic diagrams of the novel fish-bone-shaped electrode and the commercial three-shank electrode

圖6 3種不同電極腦組織微動損傷的模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of the micromotion induced injury of three different electrodes

4 結(jié)論

(1)針對魚骨狀神經(jīng)電極進(jìn)行了微動損傷數(shù)值模擬，與傳統(tǒng)商業(yè)電極進(jìn)行對比的結(jié)果表明，腦組織應(yīng)變、應(yīng)力和變形分別降低了 88.75%、96.34% 和 80.52%，驗證了魚骨結(jié)構(gòu)對于降低腦組織微動損傷的有效性.

(2)當(dāng)魚骨電極柄數(shù)較少時，腦組織微動損傷較大；當(dāng)柄數(shù)達(dá)到6及以上時，腦組織應(yīng)力、應(yīng)變及變形大幅度降低(降低80%以上)，并趨于穩(wěn)定.電極側(cè)柄數(shù)的增加不僅能夠增加電極位點數(shù)目，同時也降低了腦組織損傷，有助于提高電極長期工作壽命.

(3)與原魚骨電極相比，新型電極的腦組織應(yīng)變、應(yīng)力和變形分別降低了 73.23%、48.78% 和 76.92%.將其與同位點分布的商業(yè)三桿電極進(jìn)行對比的結(jié)果表明，在采集的電信號相同時，該新型電極有效減輕了腦組織微動損傷.

本文的研究表明，電極的魚骨結(jié)構(gòu)不僅能夠增加電極位點數(shù)目，還可以有效減輕腦組織微動損傷，可以明顯改善電極-腦組織界面的力學(xué)狀態(tài)和電學(xué)性能.預(yù)期本文設(shè)計的新型多柄魚骨電極可以大大增強電極-腦組織的界面耦合，并有助于獲得高品質(zhì)的記錄信號，從而延長電極壽命.這對改善電極形狀參數(shù)，提高電極的長期穩(wěn)定性提供了參考依據(jù).