本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，特別是一種基于有限元分析的深部腦刺激電極陣列結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

帕金森病(Parkinson's Disease,PD)是一種由中樞神經(jīng)系統(tǒng)退化導(dǎo)致的退行性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，可以導(dǎo)致患者震顫、肌肉僵直、運(yùn)動(dòng)徐緩，嚴(yán)重將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)障礙。不僅病情危害大，其發(fā)病率很高，在60歲人群中達(dá)到26％，且隨著年齡的增長(zhǎng)還會(huì)上升，給家庭與社會(huì)都造成了極大的負(fù)面影響。但是其發(fā)病機(jī)理尚不明確，治療方案仍處在摸索階段。

最初用于治療PD的方案主要有藥物治療及核團(tuán)損毀術(shù)兩種，但都存在著很大的問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前深部腦刺激術(shù)(Deep Brain Stimulation，DBS)成為主流治療手段。DBS是一種侵入式療法，通過(guò)植入電極對(duì)腦深部神經(jīng)組織區(qū)域(如底丘腦核(Subthalamic Nucleus,STN))施加刺激電流實(shí)現(xiàn)治療的目的。現(xiàn)在應(yīng)用的刺激電極主要是美國(guó)美敦力公司制造的3387電極，這是一種圓柱形電極，每個(gè)電極接觸片都可以用作陽(yáng)極和陰極。盡管DBS已廣泛應(yīng)用，但是還是存在著許多不足。首先，圓柱形的電極片會(huì)釋放對(duì)稱(chēng)的刺激脈沖，不僅不能有效的作用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的刺激靶點(diǎn)，同時(shí)會(huì)對(duì)靶點(diǎn)周?chē)牟恍枰碳さ慕M織施加刺激，從而產(chǎn)生不可預(yù)知的副作用。DBS電極和刺激器設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)訖C(jī)之一就是彌補(bǔ)次優(yōu)放置帶來(lái)的副作用。理想情況下，臨床應(yīng)用的圓柱形電極的導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)放置于目標(biāo)神經(jīng)靶點(diǎn)的中心，以保證最優(yōu)的刺激覆蓋面積和最少的刺激外溢。如果刺激靶點(diǎn)的深度為幾厘米、但是橫截面積僅為幾毫米，精確的放置電極具有很大的挑戰(zhàn)。而且，PD相關(guān)的STN靶點(diǎn)臨近內(nèi)囊皮質(zhì)和非運(yùn)動(dòng)的STN區(qū)域；原發(fā)性震顫的主要靶點(diǎn)丘腦腹側(cè)中間核(Ventral intermediate nucleus,Vim)臨近丘腦的內(nèi)囊和軀體感覺(jué)核團(tuán)以及語(yǔ)言和認(rèn)知相關(guān)的非運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)；類(lèi)似的，腳橋核(Pedunculopontine nucleus,PN)區(qū)域也充滿(mǎn)了相鄰區(qū)域的纖維通道，包括上層的小腦腳、中間和腹側(cè)的丘系以及在其它纖維中間的部分。如果這些周?chē)膮^(qū)域被刺激，可能會(huì)對(duì)PD癥狀產(chǎn)生混淆的或負(fù)面的影響。因此，一種新型的刺激更精確有效的電極設(shè)計(jì)成為了未來(lái)的發(fā)展方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)帕金森病帶來(lái)的危害以及當(dāng)前DBS電極存在的缺陷，本發(fā)明提出了一種基于有限元分析的深部腦刺激電極陣列結(jié)構(gòu)，其目的是對(duì)目前存在的電極進(jìn)行優(yōu)化，以電極陣列取代圓柱形電極，使得其可以進(jìn)行針對(duì)性刺激。其關(guān)鍵技術(shù)其一為電極高度、電極間距、電極直徑、電極行數(shù)、每行電極個(gè)數(shù)等參數(shù)可調(diào)的電極陣列的設(shè)計(jì)，其二為基于有限元分析的生理模型驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)程首先利用有限元分析軟件ANSYS計(jì)算各種配置電極周?chē)碾妶?chǎng)強(qiáng)度，接下來(lái)進(jìn)行生理模型的構(gòu)建，最后將計(jì)算所得電場(chǎng)導(dǎo)入生理模型進(jìn)行驗(yàn)證。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的基于有限元分析的深部腦刺激電極陣列結(jié)構(gòu)，其中：該陣列結(jié)構(gòu)包括相互連接的電極陣列、組織電導(dǎo)模型、生理模型、生理模型驗(yàn)證，所述電極陣列在有限元分析軟件ANSYS中與頭顱等效球模型構(gòu)建成為組織電導(dǎo)模型；對(duì)組織電導(dǎo)模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算得到空間點(diǎn)電壓值，將空間點(diǎn)電壓值施加到生理模型上，通過(guò)生理模型驗(yàn)證進(jìn)行對(duì)刺激效果的驗(yàn)證。

本發(fā)明的效果是本發(fā)明提供的電極陣列結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)圓柱電極只能施加對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)的不足，可以使得刺激的施加更加具有針對(duì)性，減少了由于刺激靶點(diǎn)的不對(duì)稱(chēng)性產(chǎn)生的副作用，與傳統(tǒng)電極相比，本結(jié)構(gòu)的一個(gè)電極片產(chǎn)生的刺激區(qū)域不足50％。并且簡(jiǎn)化了醫(yī)生為病患調(diào)節(jié)電極配置的環(huán)節(jié)，減輕醫(yī)生工作量的同時(shí)還大大減輕了病患的痛苦。使得針對(duì)不同病人的個(gè)性化醫(yī)療成為可能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于有限元分析的深部腦刺激電極陣列結(jié)構(gòu)的整體流程示意圖；

圖2為本發(fā)明的電極陣列各配置示意圖；

圖3為本發(fā)明的有限元分析計(jì)算空間點(diǎn)電壓流程圖；

圖4為本發(fā)明的基底核生理模型示意圖；

圖5為本發(fā)明的1行每行4個(gè)電極的15種配置示意圖；

圖6-1、6-2分別是本發(fā)明的電極陣列一電極片、傳統(tǒng)電極一電極產(chǎn)生的刺激區(qū)域示意圖。

圖中：

1、電極陣列 2、基底核生理模型 3、模型驗(yàn)證 4、電極直徑

5、電極間距 6、電極高度 7、電極寬度 8、每行電極數(shù)目

9、一片電極模型 10、組織電導(dǎo)模型透視圖 11、畫(huà)網(wǎng)格施加電壓

12、計(jì)算求解電場(chǎng) 13、后處理得到電壓 14、丘腦底核空間模型

15、GPe 16、STN 17、GPi 18、Thalamus 19、一行4片電極不同配置列舉

20、電極陣列刺激區(qū)域 21、傳統(tǒng)電極刺激區(qū)域

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的基于有限元分析的深部腦刺激電極陣列結(jié)構(gòu)加以說(shuō)明。

本發(fā)明的基于有限元分析的深部腦刺激電極陣列結(jié)構(gòu)主要由電極陣列1、有限元求解電場(chǎng)13、生理模型2的建立和生理模型驗(yàn)證3四部分組成。本發(fā)明的基于有限元分析的深部腦刺激電極陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是：其一，本發(fā)明主要是以投影為圓柱的徑向分布的電極片組成的電極陣列取代傳統(tǒng)的圓柱形電極，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)圓柱電極只能施加對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)21的不足，電極陣列產(chǎn)生的刺激電場(chǎng)20更加集中、更加具有針對(duì)性，減少了由于刺激靶點(diǎn)的不對(duì)稱(chēng)性產(chǎn)生的副作用。針對(duì)電極陣列的設(shè)計(jì)，本發(fā)明給出了以下可調(diào)參數(shù)：電極直徑4、電極間距5、電極高度6、電極寬度7、每行電極數(shù)目8。其二，以有限元分析的方法來(lái)求解腦區(qū)中空間點(diǎn)的電壓值13。針對(duì)組織中特定空間點(diǎn)的電壓值問(wèn)題，本發(fā)明首先根據(jù)電極配置構(gòu)建組織電導(dǎo)模型10，再進(jìn)行有限元分析計(jì)算11得到空間分布的電場(chǎng)12，再進(jìn)行后處理得到空間點(diǎn)的電壓值13。其三，為了驗(yàn)證改配置的電極陣列的效果，以臨床刺激靶點(diǎn)——基底核14的生理模型2作為驗(yàn)證模型進(jìn)行驗(yàn)證。

本發(fā)明的基于有限元分析的深部腦刺激電極陣列結(jié)構(gòu)包括相互連接的電極陣列1、組織電導(dǎo)模型10、生理模型2、生理模型驗(yàn)證3，所述電極陣列1在有限元分析軟件ANSYS中與頭顱等效球模型構(gòu)建成為組織電導(dǎo)模型10；對(duì)組織電導(dǎo)模型10進(jìn)行有限元分析計(jì)算得到空間點(diǎn)電壓值，將空間點(diǎn)電壓值施加到生理模型2上，通過(guò)生理模型驗(yàn)證3進(jìn)行對(duì)刺激效果的驗(yàn)證。

所述電極陣列1包括電極直徑4、電極間距5、電極高度6、電極寬度7、每行電極數(shù)目8，每行的電極之間、行與行之間均有間距隔開(kāi)，保證電極與電極互不接觸。所述電極直徑4為選取為0.66mm～1.5mm、電極間距5與電極高度6一致選取為0.5mm～1.5mm、電極寬度7通過(guò)以下公式計(jì)算得出、每行電極數(shù)目8設(shè)置范圍2-9個(gè)。

所述組織電導(dǎo)模型10包括電極陣列1和頭顱模型；電極陣列1的數(shù)據(jù)，頭顱模型設(shè)定為半徑8.5cm，確保有限元分析計(jì)算出的電場(chǎng)分布12的準(zhǔn)確性。

所述組生理模型2包括基底核區(qū)域的丘腦底核16、蒼白球外側(cè)15、蒼白球內(nèi)側(cè)17及丘腦18，生理模型2為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形式，以單神經(jīng)元、突觸及連接矩陣組成，其中丘腦底核神經(jīng)元與蒼白球內(nèi)側(cè)神經(jīng)元和蒼白球外側(cè)相連，組成基底核，再與丘腦相連，構(gòu)成整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖1所示為基于有限元分析的深部腦刺激電極陣列結(jié)構(gòu)的整體流程示意圖，主要包含三部分，電極陣列1、生理模型2、模型驗(yàn)證3。電極陣列1確定配置之后在A(yíng)NSYS中進(jìn)行組織電導(dǎo)模型10的建立，并進(jìn)行求解電壓13，生理模型2選取為臨床應(yīng)用的刺激靶點(diǎn)基底核14，模型驗(yàn)證3過(guò)程為將求解所得電場(chǎng)帶入生理網(wǎng)絡(luò)查看其參數(shù)。

圖2所示為電極陣列各配置示意圖，包括電極直徑4、電極間距5、電極高度6、電極寬度7、每行電極數(shù)目8。電極寬度7應(yīng)用以下公式得到：

其中d表示電極直徑4，n表示每一行徑向電極的數(shù)目8，可以在2-9之間調(diào)節(jié)，后文示意圖以每行4個(gè)為例。電極間距5通常和電極高度6保持一致，以確保電極不會(huì)相互影響。以1行每行4個(gè)電極片為例，總共有種不同電極配置19。

圖3所示為有限元分析計(jì)算空間點(diǎn)電壓流程圖。按照有限元分析的基本步驟：幾何建模9、設(shè)定邊界條件并施加電壓11、網(wǎng)格劃分11、求解12及后處理13五個(gè)基本步驟，在有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行計(jì)算。首先是建立基于真實(shí)參數(shù)的包含電極、導(dǎo)線(xiàn)和頭顱的組織電導(dǎo)模型10，使得所求結(jié)果盡可準(zhǔn)確。本模型施加兩種邊界條件：利克雷邊界條件，即在端點(diǎn)處指定待求變量的值；和諾依曼邊界條件，即在邊界外法線(xiàn)方向指定待求變量的值。網(wǎng)格劃分11采用外疏內(nèi)密的自定義劃分方式，確保計(jì)算精度的情況下減少了計(jì)算量，提高計(jì)算速度。接下來(lái)進(jìn)行求解得到電極周?chē)妶?chǎng)強(qiáng)度12，最后按照所需進(jìn)行后處理13，此處得到空間點(diǎn)電壓。

圖4所示為基底核生理模型示意圖。網(wǎng)絡(luò)模型主要包含基底核區(qū)域的GPe15、STN16和GPi17三部分以及丘腦Thalamus18組成。網(wǎng)絡(luò)包括單神經(jīng)元、突觸、以及連接矩陣三部分。其中單神經(jīng)元模型包含胞體、樹(shù)突、有髓鞘的軸突組成。各部分參數(shù)參考真實(shí)生理數(shù)據(jù)，確保模型的準(zhǔn)確有效性。模型建立完成后調(diào)解參數(shù)使其呈現(xiàn)帕金森病態(tài)特征，為之后的驗(yàn)證做準(zhǔn)備。

圖5所示為1行每行4個(gè)電極片的全部配置示意圖，共有種不同的電極配置19。

圖6-1、6-2所示，為本發(fā)明電極陣列一個(gè)電極片與傳統(tǒng)電極一個(gè)電極產(chǎn)生的刺激區(qū)域?qū)Ρ葓D。可以很清楚的看到，本發(fā)明電極陣列一個(gè)電極片形成的刺激區(qū)域20不足傳統(tǒng)一個(gè)電極片形成的刺激區(qū)域21的50％。