针对丘脑底核脑深部刺激手术因穿刺理论缺乏、穿刺设备落后而导致的靶点定位精度低及颅脑损伤大的问题,本文结合手术条件研究了穿刺涉及区域脑组织的材料力学属性;分析了不同穿刺条件下脑组织对电极的穿刺反应,得出了穿刺过程中脑组织的变形及受力规律;设计并制备了多种微织构穿刺针,通过穿刺测试验证了微织构穿刺针的穿刺效果,揭示了其穿刺减摩原理;提出了颅内规划路径的颅外无框式正交定向方法,开发了无框式正交定向自动穿刺平台,建立了仿颅脑透明穿刺模型,通过穿刺实验验证了无框式正交定向方法对提高靶点定位精度的可靠性。结合手术条件,对穿刺涉及区域脑组织的材料力学属性进行了分区域研究。分析了大脑皮质刺破前套管电极对完整脑组织的小截面压缩作用及刺破后套管电极对穿刺路径上脑组织的径向压痕-松弛作用,建立了完整脑组织的穿刺力学模型及描述脑组织压痕-松弛过程的遗传积分模型。制备了完整猪脑组织样本,对其进行了穿刺测试;制备了含穿刺路径的大截面及大厚度脑组织切片,对穿刺路径通过的6个区域进行了压痕-松弛测试。求得了完整脑组织的弹性模量及穿刺路径上不同区域脑组织的剪切松弛模量,分析了不同区域脑组织材料力学属性的差异性。结果表明:刺破前的完整脑组织呈明显的线性或非线性弹性,其线性弹性模量为4.044kPa,非线性弹性模量的范围为3.027kPa～5.032kPa;刺破后穿刺路径上的脑组织呈明显的粘弹性,可用各区域的剪切松弛模量G(t)准确表征;根据剪切松弛模量的差异性可将6个测试区域划分为三类,各类型内部脑组织的材料力学属性无显著性差异,但类型之间的脑组织存在显著性差异。根据靶点定位误差及穿刺损伤的来源,对脑组织进行了模拟套管电极穿刺过程的单次穿刺测试和模拟永久刺激电极与记录电极更换过程的二次穿刺测试。分析了导致靶点定位误差和穿刺损伤的脑组织变形及穿刺力情况。得出了如下穿刺结论:脑组织变形及穿刺力主要集中在轴向;单次穿刺测试中,皮质表面随针尖位置呈规律性的上下变动;在不同的穿刺阶段,穿刺力呈不同的规律性变化;皮质表面的刺破深度和刺破力之间具有高度正相关性,随穿刺速度的增长呈现同步的波动,利用寻找波谷的方式可获得减小皮质表面刺破深度和刺破力的最优穿刺速度2.5 mm/s;减小针轴摩擦力是减小刺破后脑组织变形及穿刺力的措施;对于二次穿刺测试,第二次进针过程中脑组织变形、穿刺力及穿刺力增长率明显降低;若采用相同进针深度,则第二次进针过程将产生针尖对靶点的穿刺过深现象。结合微织构对摩擦表面的减摩思想,提出了在套管电极圆柱表面加工微织构的思路,并进行了微织构穿刺针的制备。优化了纳秒激光对316L不锈钢材料的加工工艺参数:功率0.04 W、重复频率75 KHz、扫描速度400 mm/s、扫描次数2次。在316L不锈钢平板上制备了间距为0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm的直线型微织构阵列。根据不同阵列内水滴浸润性的改善情况,初选0.2 mm、0.3 mm和0.4 mm为针轴上微织构的加工间距。采用纳秒激光制备了以上间距的直线型、环型及螺旋型微织构穿刺针。使用微织构穿刺针和光滑不锈钢针对猪脑组织进行了 2 mm/s、3 mm/s和4 mm/s的穿刺测试。分析了针轴上脑组织的附着情况,对比了针轴摩擦力增长率的数值。结果表明:直线型微织构穿刺针无脑组织的附着,环型及螺旋型微织构穿刺针存在不同程度的脑组织附着;间距为0.2 mm的直线型微织构穿刺针具有最优穿刺减摩效果,与光滑不锈钢针相比,其针轴摩擦力增长率降低了 22.4%～40%。分析其穿刺减摩原理为:合适间距的微织构能增强针轴对脑脊液的捕捉性能,使之在针轴与脑组织之间形成液体润滑膜,进而减小对脑组织的穿刺摩擦力;微织构还能减小针轴与脑组织的实际摩擦面积,从而减小穿刺摩擦力。针对有框式脑立体定向仪引起的颅脑损伤大及靶点定向精度低的问题,提出了颅内规划路径的颅外无框式正交定向方法,指出了将规划路径调整至竖直方向的原理步骤。开发了相应的无框式正交定向自动穿刺平台,建立了靶点可透视的仿颅脑透明穿刺模型。利用该平台对仿颅脑透明穿刺模型进行了颅内规划路径的颅外无框式正交定向操作及靶点的竖直穿刺定位过程。结果表明:无框式正交定向法调整的实际穿刺路径与规划路径可高度重合;针尖可准确定位穿刺模型的靶点中心,在50 mm的检测长度上,针尖的横向偏斜量仅为0.146 mm。