多柄魚骨狀神經電極的微動模擬與優化設計

尹雪樂，張文光，唐嘉琪，于 謙

(上海交通大學 機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240)

植入式腦部神經電極是神經系統和腦機接口系統的關鍵部件，它直接與神經組織接觸，負責神經組織與外部電子設備的連接.植入式神經電極不僅可以錄制神經電信號，還能夠對神經進行電刺激，因而廣泛應用于癲癇、中風、帕金森癥和脊髓損傷等疾病的治療[1].當前，神經電極的應用面臨著長期穩定性差、使用壽命短的技術難題.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]，均會激發組織的免疫反應，最終在電極表面產生組織包裹，阻斷神經電極與神經元之間的電信號傳輸，從而導致電極的失效.其中，微動損傷是導致組織包裹和電極失效的最關鍵因素[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，已成為當前神經電極研究的熱點.

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律以及呼吸頻率變化而產生的腦血管壓力.在各種因素中，以生理因素引發的縱向微動的危害最大，因此目前主要研究縱向位移引發的微動損傷.

神經電極與腦組織界面良好的電學性能對神經電極的長期植入過程有著至關重要的作用.目前有2種方法可以提高電極所采集信號的強度：① 對電極表面進行優化(如使用導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構來增加電極位點數量，從而增加電荷通量[8]，現有研究中多采用多桿電極陣列來增加電極位點數，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未覆蓋區域，導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，適當增加電極位點數量并對其進行合理分布，對獲得高品質的記錄信號具有重大意義.

目前，越來越多的國內外學者致力于優化電極形狀結構，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計，8個位點分別位于8個側柄的頂端，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小時內被體內蛋白酶降解，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].

基于以往的研究結果，可推測文獻[10]提出的魚骨狀結構對減少腦組織微動損傷有利.同時，由于魚骨結構增加了多個側柄，使得魚骨電極相對于普通電極而言可以增加位點數目，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，對于魚骨狀結構能否有效降低腦組織微動損傷的問題，文獻[10]并沒有進行驗證.因此，魚骨結構對于降低腦組織微動損傷的有效性還需要進一步的研究.

由于腦組織-電極接觸界面的復雜性，難以通過精確的實驗結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-電極的微動過程進行模擬分析，并通過腦組織的應力、應變和變形來反映其微動損傷的程度.本文針對魚骨狀神經電極，采用數值模擬方法，對魚骨電極-腦組織模型進行有限元分析，并與廣泛應用于臨床的硅基單柄電極(Neuro Nexus公司生產，型號A1x16-3mm-50-177)進行對比，從而驗證了魚骨結構有助于減少微動損傷.此外，為進一步提高信號強度，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三桿電極進行對比分析.研究結果可為電極形狀優化設計和降低微動損傷提供參考依據.

1 神經電極-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-腦組織和傳統商業電極-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生在柄部位點周圍區域，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構，其形狀尺寸與文獻[10]提出的魚骨電極保持一致，主要幾何參數：w=85 μm，a=100 μm，b=14 μm，c=180 μm，θ=30°，厚度為30 μm.作為對比，傳統商業電極選用NeuroNexus公司生產的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.由于腦組織發生微動損傷的區域通常在電極周圍數百微米范圍內[11]，為了對敏感區域進行限制，本文將電極中心線與腦組織模型的邊界距離定義為750 μm，使其將微動產生的所有應變場都包含在內，以消除邊界效應的影響.

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，所以采用瞬態動力學分析來進行電極-腦組織的微動過程模擬.本文采用ANSYS Workbench 15.0 的Transient Structural瞬態動力學模塊進行有限元分析.

1.2 材料定義與網格劃分

要對神經電極-腦組織接觸模型進行數值模擬，首先必須對電極和腦組織材料進行定義.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，大腦微動產生的變形是大應變變形(即應變超過了5%)[14]，因此，需要采用超彈性本構模型來描述腦組織的力學特性.本文采用Ogden超彈性本構模型和 Prony 級數定義的黏彈性本構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：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為由實驗數據擬合確定的材料常數；Gk和τk(k=1,2)為松馳系數和松馳時間.

對電極和腦組織劃分網格，采用六面體單元，單元尺寸設置為 0.08 mm.為使模擬結果更加精確，對電極-腦組織接觸區域進行網格細化，單元尺寸細化至 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，故對整體模型設置xOy平面和yOz平面的對稱約束.在模擬初始狀態，電極與腦組織緊密接觸，在創建界面接觸時，將電極設置為目標面，腦組織設置為接觸面.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，腦組織應固定下表面，約束其所有自由度，而將上表面設為自由面.

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

2 模擬結果分析

2.1 魚骨狀電極與傳統商業電極的對比

分別對魚骨電極-腦組織和傳統商業電極-腦組織模型進行有限元模擬，得出了腦組織的應力、應變和變形.2種電極造成的腦組織損傷參數如圖2所示，其應變分布云圖如圖3所示.

由圖2可以看出，相比于傳統商業電極，魚骨狀電極大幅度降低了腦組織的應變(ε)、應力(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，且有大片區域的應變超過 1.5% (見圖3(a))，這主要是因為針狀結構對腦組織造成的應力較大.而文獻[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域腦組織應變超過了 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域都較小.據此，可以推測電極的形狀結構將顯著影響腦組織的微動損傷，且魚骨狀結構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變云圖Fig.3 The simulated strain cloud of two different electrodes

圖4 魚骨結構的電極柄數對微動損傷的影響Fig.4 Effects of the number of electrode shanks on micromotion induced injury

2.2 電極柄數對微動損傷的影響

為了驗證魚骨結構中電極柄數對微動損傷的影響，保持其他參數不變，只改變電極的柄數，利用有限元模擬方法進行了分析.圖4分別給出了不同電極柄數下的腦組織最大應變、應力和變形.由模擬結果可以看出：當電極柄數較少時，腦組織微動損傷較大；當電極柄數達到6以上時，腦組織應力、應變和變形大幅度降低(降低了80%以上)，并趨于穩定.這是因為當電極柄數增加到6以上時，電極與腦組織間的接觸面積增大，力學耦合性能增強，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，應選擇6及以上柄數的電極，這也驗證了文獻[10]所提出的8柄魚骨電極的合理性.

由圖4可知，電極的魚骨結構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.從組織學上分析，Seymour等[13]研究表明，相比于大尺寸結構，亞細胞尺寸結構有助于減少電極造成的組織反應，進而降低微動損傷.此外，相對于實心電極來說，帶有開口區域的電極可以提升免疫反應產生的膠質細胞的擴散率[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，其小尺寸側柄及側柄與主柄間的大片開口區域減少了該電極造成的組織反應，對于降低微動損傷具有積極作用.另一方面，從力學性能上分析，魚骨狀電極的多個側柄增加了電極與腦組織的接觸面積，當腦組織產生微動時，其相對受力面積增加，兩者間的力學耦合性增強，相對微動減少，從而產生了較小的微動損傷.另外，以上模擬結果說明，電極側柄數的增加不僅能夠增加電極位點數目，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計

根據以上分析，電極的魚骨結構能夠有效降低腦組織微動損傷.然而文獻[10]所提出的8柄魚骨電極仍有一定不足，在形狀結構上可以進一步改進.另外，電極的位點數量及分布情況對獲得高品質記錄信號具有重要作用.因此，考慮到電極位點分布的最優性，提出了一種新型多柄魚骨電極.

根據Eaton等[15]的預測，每個電極位點能采集到不大于130 μm距離內的電信號，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距離為200 μm，這樣使得整個電極能測得其測量范圍內最完整的電信號.在此理論基礎上，本文設計了一種新型多柄魚骨電極，參考上文中的研究結論，將側柄數定為8.該新型電極針尖處結構示意圖如圖5(a)所示，其主要參數: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，分布在側柄和主柄上，相鄰位點的距離均為最優距離200 μm.與原魚骨電極相比，該新型魚骨電極在尺寸上進行了改進，在魚骨結構基礎上增加了電極位點數目并進行了最優化分布，且在各個拐角處和側柄尖端處均采用了圓弧設計，以減少應力集中.該新型電極不僅能夠提高信號強度，同時有助于進一步降低微動損傷，這對神經電極的優化設計具有重大意義.

為驗證該新型魚骨電極降低微動損傷的有效性，對該電極-腦組織模型進行數值模擬，并將結果分別與原魚骨電極和具有相同位點分布的商業三桿電極的模擬結果進行對比.商業三桿電極的結構示意圖如圖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: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，新型魚骨電極的應變、應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三桿電極結構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果Fig.6 Simulation results of the micromotion induced injury of three different electrodes

4 結論

(1)針對魚骨狀神經電極進行了微動損傷數值模擬，與傳統商業電極進行對比的結果表明，腦組織應變、應力和變形分別降低了 88.75%、96.34% 和 80.52%，驗證了魚骨結構對于降低腦組織微動損傷的有效性.

(2)當魚骨電極柄數較少時，腦組織微動損傷較大；當柄數達到6及以上時，腦組織應力、應變及變形大幅度降低(降低80%以上)，并趨于穩定.電極側柄數的增加不僅能夠增加電極位點數目，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變、應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三桿電極進行對比的結果表明，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，電極的魚骨結構不僅能夠增加電極位點數目，還可以有效減輕腦組織微動損傷，可以明顯改善電極-腦組織界面的力學狀態和電學性能.預期本文設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的記錄信號，從而延長電極壽命.這對改善電極形狀參數，提高電極的長期穩定性提供了參考依據.