可长期稳定在体的高密度柔性皮层电极研究

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大脑是人体最重要和最复杂的器官,是一切思维活动的物质基础,支配人的所有生命活动。神经系统主要通过电和化学机制来进行调节,脑电是神经活动的基本特征,反应神经元的生理状态和信息编码。脑电极是记录大脑神经元电生理活动的电子器件,是研究脑电的重要工具。脑电极根据侵入程度不同分为三种类型:非侵入式头皮脑电极,半侵入性皮层脑电极和侵入式深部脑电极。头皮电极直接贴附头皮,无需手术,采集到的脑电信号信噪比低;皮层脑电极贴附皮层,采集的脑电信号较为精准;深部脑电极则直接植入大脑深部,虽然采集到的脑电信号最为精准但会对大脑造成较大创伤。三种电极虽然各具优势,但是也有其各自应用的局限性,其中皮层脑电极应用最为广泛,因为它相较于头皮脑电极精准性更高,同时又比深部脑电极更便捷和经济,创伤更小。为了更好地贴合脑组织,最大程度减少植入时产生的机械伤害,脑电极逐渐从硬质基底朝着柔性基底发展。同时,随着MEMS(Micro Electromechanical System)技术的发展,皮层电极正在朝小尺寸、高通量、超薄贴附进行演变。目前临床使用的皮层电极普遍基于半手工式制造,密度较低,衬底材料厚,保形贴附效果差,后端连接线粗,难以进行术后硬脑膜的缝合,没有良好的生物相容性,无法做到稳定的长期在体记录。针对以上问题,本文提供了一种可长期在体的高密度柔性皮层电极设计与制造方法,在体外进行表征验证了其良好的共性贴附性,电学性能以及其生物相容性,并在动物实验以及临床电生理监测中证实了其可靠性。论文的主要研究内容包括:1、设计与制造256与1024通道的可长期在体高密度柔性皮层电极,电极触点密度最高可达150 pads/cm~2,电极以低杨氏模量、生物相容性和绝缘性良好的聚合物聚酰亚胺为衬底,基于蛇形结构设计,增加了电极后端连接线的长度并且大大缩小其宽度,便于术后颅骨骨瓣的缝合,基于MEMS工艺进行了柔性器件的制备。在此基础上,通过BGA倒装焊工艺实现了柔性电极与后端FPC的组装并完成了体外测试平台的搭建及测试。通过体外结构表征、阻抗测试以及体外信号传导实验证明了其具有良好的保形贴附能力与电学性能。2、在体外性能表征的基础上,对柔性器件进行了进一步的动物实验和临床验证。测试结果表明柔性皮层电极具有良好的生物相容性,手术后四周并未在实验动物脑组织中发现明显的病理性变化。柔性皮层电极在拉布拉多犬模型和临床上均能够采集到高质量的脑电信号,且能够实现术中的实时被动脑功能区定位,定位结果与目前临床“金标准”皮层电刺激法具有一致性。
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