多柄鱼骨状神经电极的微动模拟与优化设计

尹雪乐，张文光，唐嘉琪，于 谦

(上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240)

植入式脑部神经电极是神经系统和脑机接口系统的关键部件，它直接与神经组织接触，负责神经组织与外部电子设备的连接.植入式神经电极不仅可以录制神经电信号，还能够对神经进行电刺激，因而广泛应用于癫痫、中风、帕金森症和脊髓损伤等疾病的治疗[1].当前，神经电极的应用面临着长期稳定性差、使用寿命短的技术难题.研究表明，电极植入时对脑组织造成的植入损伤[2]，以及植入后脑组织微动带来的微动损伤[3]，均会激发组织的免疫反应，最终在电极表面产生组织包裹，阻断神经电极与神经元之间的电信号传输，从而导致电极的失效.其中，微动损伤是导致组织包裹和电极失效的最关键因素[4].因此，有效减少微动造成的组织损伤，是延长电极使用寿命的主要手段之一，已成为当前神经电极研究的热点.

引起电极与脑组织相对微动的因素主要包括[5-6]：机械因素、行为因素以及生理因素.机械因素是指通过外部设备与颅骨传递给电极的振动；行为因素指头部或身体的运动；而生理因素主要是指由于心脏跳动节律以及呼吸频率变化而产生的脑血管压力.在各种因素中，以生理因素引发的纵向微动的危害最大，因此目前主要研究纵向位移引发的微动损伤.

神经电极与脑组织界面良好的电学性能对神经电极的长期植入过程有着至关重要的作用.目前有2种方法可以提高电极所采集信号的强度：① 对电极表面进行优化(如使用导电涂层来修饰电极表面)，以增强电荷的传输能力[7]；② 通过改变电极的形状结构来增加电极位点数量，从而增加电荷通量[8]，现有研究中多采用多杆电极阵列来增加电极位点数，但这往往造成了更大面积的组织损伤.此外，电极的位点分布对于电信号的采集和处理具有非常重要的作用.电极位点分布过密，会导致各个电极位点采集的信号范围重叠，造成资源浪费；电极位点分布太疏，会使得各位点采集范围之间出现未覆盖区域，导致采集到的脑电信号不完整，给信号的分析处理带来不便.因此，适当增加电极位点数量并对其进行合理分布，对获得高品质的记录信号具有重大意义.

目前，越来越多的国内外学者致力于优化电极形状结构，以有效抑制微动造成的组织损伤[9].Wu等[10]提出并制造了一种鱼骨状的聚酰亚胺柔性电极.该种电极针尖处采用了鱼骨状的形状设计，8个位点分别位于8个侧柄的顶端，与主柄间隔100 μm.此外，该电极涂有可生物降解的蚕丝蛋白涂层，用于在植入时增强机械强度.电极植入后蚕丝蛋白涂层能在数小时内被体内蛋白酶降解，剩余鱼骨状电极存留在脑组织中.对该鱼骨状电极进行的植入实验，证明其具有可制造性和可植入性[10].

基于以往的研究结果，可推测文献[10]提出的鱼骨状结构对减少脑组织微动损伤有利.同时，由于鱼骨结构增加了多个侧柄，使得鱼骨电极相对于普通电极而言可以增加位点数目，有助于增强信号强度，因此有望成为一种可用于临床的长寿命电极.然而，对于鱼骨状结构能否有效降低脑组织微动损伤的问题，文献[10]并没有进行验证.因此，鱼骨结构对于降低脑组织微动损伤的有效性还需要进一步的研究.

由于脑组织-电极接触界面的复杂性，难以通过精确的实验结果来衡量脑组织的微动损伤，有限元模拟法是目前研究微动损伤最有效的手段之一.利用有限元软件对脑组织-电极的微动过程进行模拟分析，并通过脑组织的应力、应变和变形来反映其微动损伤的程度.本文针对鱼骨状神经电极，采用数值模拟方法，对鱼骨电极-脑组织模型进行有限元分析，并与广泛应用于临床的硅基单柄电极(Neuro Nexus公司生产，型号A1x16-3mm-50-177)进行对比，从而验证了鱼骨结构有助于减少微动损伤.此外，为进一步提高信号强度，并考虑到电极位点分布的合理性，提出一种新型鱼骨状多柄电极，将其与原鱼骨电极，以及同位点分布的商业三杆电极进行对比分析.研究结果可为电极形状优化设计和降低微动损伤提供参考依据.

1 神经电极-脑组织模型

1.1 有限元模型建立

采用SolidWorks 2014三维建模软件建立电极-脑组织模型，由于整个装配体模型关于xOy平面和yOz平面对称，为提高计算效率，采用1/4对称模型.图1(a)和(b)所示分别为鱼骨电极-脑组织和传统商业电极-脑组织的1/4有限元模型.电极植入脑组织的部分为电极柄部，由于电极失效一般都发生在柄部位点周围区域，故在模拟分析过程中主要考虑电极柄的部分.图1(c)所示为鱼骨电极柄部整体示意图，其总长为3 mm.图1(d)显示了电极针尖处的鱼骨状结构，其形状尺寸与文献[10]提出的鱼骨电极保持一致，主要几何参数：w=85 μm，a=100 μm，b=14 μm，c=180 μm，θ=30°，厚度为30 μm.作为对比，传统商业电极选用NeuroNexus公司生产的A1x16-3mm-50-177型号电极.

图1 电极与脑组织有限元模拟模型Fig.1 Finite element models of electrode and brain tissue

同时，大脑的几何模型可以合理简化.由于脑组织发生微动损伤的区域通常在电极周围数百微米范围内[11]，为了对敏感区域进行限制，本文将电极中心线与脑组织模型的边界距离定义为750 μm，使其将微动产生的所有应变场都包含在内，以消除边界效应的影响.

由于脑组织与电极的相对微动可以看作是随时间变化的位移载荷，所以采用瞬态动力学分析来进行电极-脑组织的微动过程模拟.本文采用ANSYS Workbench 15.0 的Transient Structural瞬态动力学模块进行有限元分析.

1.2 材料定义与网格划分

要对神经电极-脑组织接触模型进行数值模拟，首先必须对电极和脑组织材料进行定义.本文中电极为硅基电极，将硅视为线弹性材料，弹性模量设置为200 GPa，泊松比为 0.278，密度为 2.34 g/cm3.脑组织被植入的位置为大脑皮层，与大部分生物材料相似，它具有弹性和黏性.研究证明，大脑微动产生的变形是大应变变形(即应变超过了5%)[14]，因此，需要采用超弹性本构模型来描述脑组织的力学特性.本文采用Ogden超弹性本构模型和 Prony 级数定义的黏弹性本构模型来描述脑组织特性.所采用的脑组织密度为 1.042 5 g/cm3，脑组织超弹性与黏弹性材料参数：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为由实验数据拟合确定的材料常数；Gk和τk(k=1,2)为松驰系数和松驰时间.

对电极和脑组织划分网格，采用六面体单元，单元尺寸设置为 0.08 mm.为使模拟结果更加精确，对电极-脑组织接触区域进行网格细化，单元尺寸细化至 0.03 mm，最终将电极和脑组织划分为 38 831 个单元.

1.3 载荷与约束条件

由于本文采用1/4对称的电极-脑组织模型，故对整体模型设置xOy平面和yOz平面的对称约束.在模拟初始状态，电极与脑组织紧密接触，在创建界面接触时，将电极设置为目标面，脑组织设置为接触面.由于电极与脑组织间具有黏附作用，接触类型选择摩擦接触，接触算法采用增广拉格朗日乘子法，并将摩擦因数定义为 0.5[5].由于大脑皮层往下延伸通过脑干连接至脊髓，大脑的运动受到限制，故定义边界条件时，脑组织应固定下表面，约束其所有自由度，而将上表面设为自由面.

在脑组织微动中，以生理因素引发的纵向微动危害最大，因此本文主要研究纵向位移引发的微动损伤.参考Gilletti等[6]测定的实验数据，将微动设置为幅值10 μm、频率为4 Hz的位移载荷，并施加于电极上表面.

2 模拟结果分析

2.1 鱼骨状电极与传统商业电极的对比

分别对鱼骨电极-脑组织和传统商业电极-脑组织模型进行有限元模拟，得出了脑组织的应力、应变和变形.2种电极造成的脑组织损伤参数如图2所示，其应变分布云图如图3所示.

由图2可以看出，相比于传统商业电极，鱼骨状电极大幅度降低了脑组织的应变(ε)、应力(σ)和变形(Δs)，降低量分别为 88.75%、96.34% 和 80.52%.由图3可见，传统针状电极造成的脑组织损伤主要集中于针尖处，损伤程度高，且有大片区域的应变超过 1.5% (见图3(a))，这主要是因为针状结构对脑组织造成的应力较大.而文献[10]提出的鱼骨电极造成的微动损伤主要分布在电极柄部拐角处，损伤程度低，且只有极小的红色区域脑组织应变超过了 1.5% (见图3(b)).由此可见，鱼骨状电极对脑组织造成的损伤程度和损伤区域都较小.据此，可以推测电极的形状结构将显著影响脑组织的微动损伤，且鱼骨状结构对于降低微动损伤具有非常明显的作用.

图2 2种不同电极的脑组织微动损伤模拟结果Fig.2 The simulated results of micromotion induced injury of two different electrodes

图3 2种不同电极的模拟应变云图Fig.3 The simulated strain cloud of two different electrodes

图4 鱼骨结构的电极柄数对微动损伤的影响Fig.4 Effects of the number of electrode shanks on micromotion induced injury

2.2 电极柄数对微动损伤的影响

为了验证鱼骨结构中电极柄数对微动损伤的影响，保持其他参数不变，只改变电极的柄数，利用有限元模拟方法进行了分析.图4分别给出了不同电极柄数下的脑组织最大应变、应力和变形.由模拟结果可以看出：当电极柄数较少时，脑组织微动损伤较大；当电极柄数达到6以上时，脑组织应力、应变和变形大幅度降低(降低了80%以上)，并趋于稳定.这是因为当电极柄数增加到6以上时，电极与脑组织间的接触面积增大，力学耦合性能增强，使得微动造成的脑组织损伤降低.由此可知，为降低微动损伤，应选择6及以上柄数的电极，这也验证了文献[10]所提出的8柄鱼骨电极的合理性.

由图4可知，电极的鱼骨结构对于降低脑组织微动损伤具有显著作用，这主要有两方面的原因.从组织学上分析，Seymour等[13]研究表明，相比于大尺寸结构，亚细胞尺寸结构有助于减少电极造成的组织反应，进而降低微动损伤.此外，相对于实心电极来说，带有开口区域的电极可以提升免疫反应产生的胶质细胞的扩散率[14]，从而减少了电极位点处的组织包裹.因此，在鱼骨状电极中，其小尺寸侧柄及侧柄与主柄间的大片开口区域减少了该电极造成的组织反应，对于降低微动损伤具有积极作用.另一方面，从力学性能上分析，鱼骨状电极的多个侧柄增加了电极与脑组织的接触面积，当脑组织产生微动时，其相对受力面积增加，两者间的力学耦合性增强，相对微动减少，从而产生了较小的微动损伤.另外，以上模拟结果说明，电极侧柄数的增加不仅能够增加电极位点数目，提高信号强度，同时也降低了脑组织损伤，有助于减少组织包裹.因此，可以推测，鱼骨状设计对提高电极长期工作寿命具有重要作用.

3 新型多柄鱼骨电极的设计

根据以上分析，电极的鱼骨结构能够有效降低脑组织微动损伤.然而文献[10]所提出的8柄鱼骨电极仍有一定不足，在形状结构上可以进一步改进.另外，电极的位点数量及分布情况对获得高品质记录信号具有重要作用.因此，考虑到电极位点分布的最优性，提出了一种新型多柄鱼骨电极.

根据Eaton等[15]的预测，每个电极位点能采集到不大于130 μm距离内的电信号，而Polikov等[16]的研究表明，该距离在50～100 μm，不妨将这个距离定为100 μm，则两个电极位点之间的最优距离为200 μm，这样使得整个电极能测得其测量范围内最完整的电信号.在此理论基础上，本文设计了一种新型多柄鱼骨电极，参考上文中的研究结论，将侧柄数定为8.该新型电极针尖处结构示意图如图5(a)所示，其主要参数:w=85 μm，a=200 μm，b=200 μm，c=16 μm，R1=50 μm，R2=20 μm，R3=80 μm.该电极共有12个位点，分布在侧柄和主柄上，相邻位点的距离均为最优距离200 μm.与原鱼骨电极相比，该新型鱼骨电极在尺寸上进行了改进，在鱼骨结构基础上增加了电极位点数目并进行了最优化分布，且在各个拐角处和侧柄尖端处均采用了圆弧设计，以减少应力集中.该新型电极不仅能够提高信号强度，同时有助于进一步降低微动损伤，这对神经电极的优化设计具有重大意义.

为验证该新型鱼骨电极降低微动损伤的有效性，对该电极-脑组织模型进行数值模拟，并将结果分别与原鱼骨电极和具有相同位点分布的商业三杆电极的模拟结果进行对比.商业三杆电极的结构示意图如图5(b)所示.该电极共有12个位点，每杆等距分布4个，其主要参数:w=83 μm，a=200 μm，b=200 μm.可见，该电极的位点分布与本文提出的新型鱼骨电极完全一致，即它们接收的电信号范围及电荷通量完全相同.3种电极的模拟结果如图6所示.由图可见，与原鱼骨电极相比，新型鱼骨电极的应变、应力和变形都有了大幅下降，分别降低了 73.23%、48.78% 和 76.92%.而在测得相同电信号的前提下，相比于商业三杆电极，新型鱼骨电极对脑组织造成的损伤极为轻微.这表明，在保证电荷通量相同的情况下，采用该新型鱼骨电极代替商业三杆电极，可以极为有效地减轻脑组织微动损伤.

图5 新型鱼骨电极和商业三杆电极结构Fig.5 Schematic diagrams of the novel fish-bone-shaped electrode and the commercial three-shank electrode

图6 3种不同电极脑组织微动损伤的模拟结果Fig.6 Simulation results of the micromotion induced injury of three different electrodes

4 结论

(1)针对鱼骨状神经电极进行了微动损伤数值模拟，与传统商业电极进行对比的结果表明，脑组织应变、应力和变形分别降低了 88.75%、96.34% 和 80.52%，验证了鱼骨结构对于降低脑组织微动损伤的有效性.

(2)当鱼骨电极柄数较少时，脑组织微动损伤较大；当柄数达到6及以上时，脑组织应力、应变及变形大幅度降低(降低80%以上)，并趋于稳定.电极侧柄数的增加不仅能够增加电极位点数目，同时也降低了脑组织损伤，有助于提高电极长期工作寿命.

(3)与原鱼骨电极相比，新型电极的脑组织应变、应力和变形分别降低了 73.23%、48.78% 和 76.92%.将其与同位点分布的商业三杆电极进行对比的结果表明，在采集的电信号相同时，该新型电极有效减轻了脑组织微动损伤.

本文的研究表明，电极的鱼骨结构不仅能够增加电极位点数目，还可以有效减轻脑组织微动损伤，可以明显改善电极-脑组织界面的力学状态和电学性能.预期本文设计的新型多柄鱼骨电极可以大大增强电极-脑组织的界面耦合，并有助于获得高品质的记录信号，从而延长电极寿命.这对改善电极形状参数，提高电极的长期稳定性提供了参考依据.