CMES本期精选文章“Progress in Mechanical Modeling of Implantable Flexible Neural Probes”（植入式柔性神经探针力学建模研究进展）。
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1. 前言
近几十年来，为了验证实验的准确性和评估神经探针的机械特性，一些研究使用有限元方法（FEM）对探针进行了机械建模。FEM结果可以预测神经探针在脑外，由脑外进入脑内，以及进入脑内之后的行为，如图1所示。
图1：柔性神经探针的屈曲、插入以及与软性脑组织的相互作用的过程示意图。（a）探针从外部接触脑组织；（b）探针从外部插入脑组织过程；（c）探针完全插入脑组织并长期植入。
2. 理论计算
2.1 探针的机械强度
植入神经探针的过程涉及在皮肤上做切口和颅骨开窗，然后穿刺硬脑膜并暴露软膜。在探针插入过程中，使用的力量必须超过抵抗力。插入力需要足够强大，能够成功穿透脑组织或软膜。然而，如果力量超过了临界屈曲力，探针将会弯曲。
图2：柔性探针的插入策略。(a) 无辅助探针，(b) 穿梭器探针，(c) 可溶性硬化涂层探针，(d) 导向器探针，(e) 可溶性支撑物探针，(f) 硬尖探针，(g) 变刚度涂层探针，(h) 工程化横截面探针，(i) 磁导引探针，(j) 注射探针。
2.2 探针插入引起的组织变形
减少插入过程中探针引起的脑组织急性损伤对于提高神经探针长期植入信号稳定性非常重要。刚性探针在插入过程中可能引起急性损伤和血管损伤。但与此同时，柔性探针也可能造成不同程度的急性损伤，因为为了确保插入过程中不发生弯曲，这些探针必须以临时刚度插入。因此，刚性和柔性探针在插入过程中都可能对脑组织造成急性损伤和伤害。
图3：电极坐标系和网格。(a) 电极嵌入脑组织中。X、Y和Z坐标方向对应宽度、纵向和厚度方向， (b) 在模型区域的一个象限中，使用四分之一对称网格来模拟垂直微运动。
2.3 柔性探针与脑组织的相互作用
由于人体的自然运动，如呼吸和心跳，神经探针与脑组织之间便存在一定的相互作用。为了模拟插入探针和脑组织之间不同程度的机械耦合，可以在有限元模型中使用不同的材料间摩擦系数。因此，使用附着模型或粘附和摩擦的组合来模拟探针和脑组织之间的物理相互作用。
图4：将实验结果与模型预测进行比较。(a) 探针插入E18胚胎鸡脑组织。(b) 探针弯曲。
3 模拟分析
在本节中，我们将回顾柔性探针弯曲、脑组织变形以及柔性探针与脑的相对作用的力学模拟，并为设计更低侵入性的柔性探针提供思路。
3.1 弯曲过程的模拟
弹性模量：柔性探针的临界弯曲力与弹性模量呈正相关，一旦植入时的受力超过临界弯曲力，探针可能会损坏。
有效长度：通过减小探针的有效长度，可以使其在无机械设备辅助的情况下更加坚硬，这意味着对大脑的损伤更小。
3.2 脑组织变形的模拟
探针形状：当探针插入脑组织时所引起的损伤程度与植入物的几何形状密切相关，如尖端角度、横截面积、弹性模量和整体配置等。
图5：分析区域和探针的各种横截面形状。(a) 研究ROI（距离尖端500微米）中的最大和平均等效应变与时间之间的关系，以及(b) 探针的各种横截面形状。
插入速度：影响脑组织损伤程度的另一个因素是探针插入的速度。高速插入时，针尖处的脑组织和血管可能会产生更大的损伤。低速插入则可以减少针尖处的损伤。
探针和组织的摩擦性质：降低植入的柔性探针设备与脑组织之间的摩擦系数可以减轻植入过程对脑组织造成的应变和创伤。
3.3. 对软脑组织的相对相互作用的模拟
探针的刚度：神经探针长期植入导致信号质量降低的主要原因之一是探针与脑组织之间的刚度差异较大。
图6：不同摩擦系数下探针与脑组织的相互作用。(a) 等效应变与摩擦系数之间的关系，以及(b) 临界区域体积与摩擦系数之间的关系。
脑组织与探针之间的摩擦系数：在植入柔性探针时，需要减小探针与脑组织之间的摩擦系数，以最小化对脑组织的创伤。当探针完全植入脑组织时，探针表面需要尽可能平滑，以减少与脑组织的摩擦。这可以防止过大的摩擦导致探针长期植入引起的慢性损伤。
4. 结论与展望
本综述总结了柔性探针与脑组织的关键屈曲、插入和相互作用过程的理论计算，并分析了相应的力学模拟结果。对于急性植入，可以通过调整穿透速度、探针与脑组织之间的摩擦系数以及探针形状来减少组织损伤。对于慢性植入，可以应用较软的探针，并增加探针与脑组织之间的摩擦系数，以避免相对微动。
未来，首先应解决植入困难的问题。需要制定一种植入方案，能够以最小创伤、准确地在所需位置植入柔性探针。例如，柔性探针可以在穿透脑组织后，根据体温呈现预定形状，减小由于机械穿透力造成的额外损伤。
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引用格式：
APA Style
You, X., Bai, R., Xue, K., Zhang, Z., Wang, M. et al. (2024). Progress in mechanical modeling of implantable flexible neural probes. Computer Modeling in Engineering & Sciences, 140(2), 1205-1231. https://doi.org/10.32604/cmes.2024.049047
Vancouver Style
You X, Bai R, Xue K, Zhang Z, Wang M, Wang X, et al. Progress in mechanical modeling of implantable flexible neural probes. Comput Model Eng Sci. 2024;140(2):1205-1231 https://doi.org/10.32604/cmes.2024.049047
IEEE Style
X. You et al., "Progress in Mechanical Modeling of Implantable Flexible Neural Probes," Comput. Model. Eng. Sci., vol. 140, no. 2, pp. 1205-1231. 2024. https://doi.org/10.32604/cmes.2024.049047
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