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在临床上核磁检测技术

应用越来越普遍

通常 植入脑起搏器之后

因为电极是金属做的

在做核磁影像的时候

核磁的射频场

会对脑起搏器电极周围

产生涡流效应导致发热

临床上会造成非常大的风险

同时 核磁影像

也是研究脑科学

认识脑疾病最好的工具

那我们在核磁项目方面

经过了长达五六年的工作

解决了脑起搏器的

核磁相容性问题

下面 由我们姜老师

来介绍一下

核磁相容相关的进展

大家好我是姜长青

来自清华大学航天航空学院

神经调控技术

国家工程实验室

今天 由我给大家介绍

脑起搏器电极技术

相关的工作

脑起搏器电极

是与大脑直接接触的部分

在脑起搏器疗法中

是十分关键的环节

起搏器发出的电脉冲

经由电极导线

由电极触点流入大脑

从而起到调节大脑功能

治疗大脑疾病的作用

这里主要包括两部分工作

一是电极与脑组织 神经

接触的界面性能

第二是脑起搏器

在磁共振成像下应用时

由于电极射频发热

引起的安全性问题

下面我为大家作详细的介绍

首先 电极前端植入大脑

电极触点

前端的触点与大脑直接接触

电极这部分导电

是靠电子导电

然后大脑中的组织液

靠离子导电

两者的导电机制不同

在界面之处会发生一个

电荷转换

这时候就形成了一个界面

这个界面的性能

对电极的电流

传入大脑非常的关键

传统的电极采用铂铱电极

铂铱合金作为电极触点

它的界面特性非常有限

电极未来的发展

需要电极界面特性

进一步提升

这时候传统的铂铱合金

就不能满足需求了

我们前期与

清华大学物理系合作

采用它的那款材料

绕制电极的方式

制造了新型的电极

如图所示

并对电极的界面特性

进行了表征

可以看到 这个图

右图所示的是

采用循环伏安法

对电极界面特性

进行表征的一个结果

可以看到最中间

是铂铱电极

传统的铂铱电极

中间一个曲线

是没有经过处理的

碳纳米管电极

最外一圈是经过处理的

性能良好的碳纳米管电极

这个图是对电极界面

进行一个加载

然后记录它的电流

这个曲线所谓的面积越大

它的性能越好

从这幅图中可以看到

碳纳米管线电极

相比于传统的铂铱电极

性能有一个显著的提升

而且 这个电极

在长时间加载电刺激后

性能是十分稳定的

我们对此还进行了

交流阻抗的分析

也基于在测试电极界面

在不同频率下的界面阻抗

并对这个界面阻抗

进行了等效电路的模型分析

可以看到这个模型

能够很好的拟合

实验采集的数据

而且由于模型拟合的

结果可以看到

采用碳纳米管线电极

由于它具有多孔结构

引入了扩散过程

这些过程使得它的界面

表现更加接近于电容

从而具有更好的刺激性能

我们在动物实验中

也进行了测试

测试的结果

与体外模型实验的结果

是相一致的

这部分工作我们申请了

美国的专利

和国内的发明专利

并发表在了IEEE的

神经系统与康复工程杂志上

与此同时 我们还发现

碳纳米管线电极

在磁共振影像中

有更好的性质

基于传统的铂铱电极

由于它是金属

在磁共振成像技术的磁场下

会导致磁场激变

引起磁共振信号的丢失

可以从左图中

前两幅图可以看到

中间铂铱电极

会引起磁共振图像的

严重失真

而采用碳纳米管线电极之后

失真的情况明显的得到改善

我们对此提出了一个

采用图像处理的方法

提出了一个定量评估

图像伪影的方法

并进行了统计比较

可以看到

碳纳米管电极显著优于

传统的铂铱电极

同样的 我们也在大鼠模型中

进行了验证

可以看到植入了

一周和六周后

碳纳米管电极的伪影特性

都要显著好于传统的

铂铱技术电极

这部分工作发表在了

《神经工程》杂志上

对伪影的来源进一步分析

可以发现铂铱电极

引起图像失真的原因

主要是由于

它与生物组织的磁化技术

有一个差异

导致铂铱电极在磁场下

会由于磁化

引起周围的磁场信号失真

而碳纳米管电极

它的磁化系数绝对值

更加接近于生物组织

从而它引起的磁场激变减小

引起的图像失真也减小

同时 由于电极是一个

圆环状的形状

我们将圆环进行了一个分析

来分析除了静磁场以外的

梯度磁场

和射频磁场

等时变磁场对图像质量的影响

经过计算

计算它的等效电阻

以及时变磁场在其中

感生的电流

以感生电流的

时间参数等等

可以发现这些时变磁场

对电极图像特性的影响

可以忽略

这部分工作发表在了

《神经工程》杂志上

此外 我们还验证了

碳纳米管的生物相容性

包括体外细胞培养

可以从图中看到

在碳纳米管纤维上

有很明显的细胞附着生长

表明它没有毒性

另外 我们也将样品

植入到了大鼠的大脑之中

植入一周和十二周之后

都可以发现碳纳米管线电极

导致神经细胞缺失

以及炎症反应

都明显优于铂铱合金

这些结果表明

碳纳米管适合作为

生物材料应用

第二部分工作是脑起搏器

在磁共振下应用的安全问题

磁共振成像技术

在当前的临床诊断

和脑科学研究中

是一个关键的研究手段

而脑起搏器能够调控

大脑功能

我们希望将这两者结合起来

从而为患者提供更好的诊断

并且能够借助于

脑起搏器调控大脑的功能

来进一步研究大脑机制

以及脑疾病的发病规律

但是 现在在应用时

由于磁共振成像技术

采用了一个射频磁场

而脑起搏器有一个电极导线

起到了类似于天线的效应

会接收射频磁场的

辐射出来的能量

右下图可以看到

当磁共振成像的射频能量

正常情况下

是相对来讲较低的

然后 由于电极导线的存在

会在电极周围

产生一个剧烈的

电场能量集中

能量集中可以达到

正常情况下的几百倍

因此 这个能力集中

会导致严重的发热

有可能会对患者造成损伤

所以 射频磁场产生的

电极发热

成为当前脑起搏器

在磁共振下应用的

最大安全隐患

面向这个问题

我们提出了一个方法

在脑起搏器电极外面

编织一层镍钛合金的技术网

来起到屏蔽的作用

图中显示了

编织电极的结构示意图

以及编织所用的编织机

和编织后的样品图

我们对编织后的电极

由于编织层的存在

能够改变射频磁场

在电极周围的

感生电场分布

从而降低电极前端触点的

电场集中

最终降低射频温升

我们对此进行了

在体外模型中进行了测试

可以看到

分别在静磁场为1.5T

1.5T和3.0T的

磁共振成像设备下

编织电极的射频温升

都显著低于传统的

铂铱合金电极

编织电极都显著低于传统的

脑起搏器电极

电极温升能够

通过编制能够将电极温升

降低75%以上

此外 我们对此进行了

电磁场的数字仿真研究

最左图是仿真模型的建立

第二幅图显示的是

在没有电极的时候

体模中的电场分布的情况

后面两幅图显示的是

增加了电极以后

在电极周围可以看到

有明显的电场集中

引起的能量集中

通过仿真计算

我们也可以看到

屏蔽层改变了

电极周围的感生电场分布

从而 使触点周围的

局部射频能量降低

进而射频温升降低

在进行了上述研究之后

我们开展了动物实验

将一整套脑起搏器的系统

植入了食蟹猴的模型

进行了1.5T和3.0T的

核磁实验

同时 用光纤测温仪

测量脑起搏器电极

触点表面的温升情况

可以看到这两种磁共振设备

在不同的扫描序列中

电极触点处

都没有明显的温升

表明这一电极设计

是能够保证

脑起搏器在磁共振下

应用的安全性

在经过了系统的测试

以及第三方检验

并取得了

医院伦理委员会的审批

通过之后

我们进行了第一例的

临床实验

左图显示的是手术中

植入电极的场景

右图显示的是

对植入编织电极

帕金森患者

进行3.0T核磁扫描的

图像结果

从中可以看到

电极准确的植入了

丘脑底核的靶点

磁共振成像非常清晰

达到了预期的目的

而且患者没有不良反应

术后患者恢复正常

至此 我们将首个兼容

3.0T高场核磁的

脑起搏器电极

应用到了临床实践中

这部分工作

我们申请了一系列的

专利保护

以上就是关于脑起搏器

电极技术相关的工作介绍

谢谢大家的聆听