Расчёт малоинвазивного электрода для стимуляции глубинных структур головного мозга человека(DBS)

любом конкретном случае электрод ставится в то положение, в котором от него оптимальный толк по электроэнцефалограмме. Каждый участок головного мозга имеет свою карту активности. Анализируя электроэнцефалограмму, можно понять в какой области находится электрод и какие функции головного мозга он стимулирует.

Частота электростимуляции характеризуется количеством импульсов переменного электрического тока в секунду. Нейростимулятор может генерировать импульсы с частотой от 2 до 250Гц. Низкочастотная электростимуляция (до 10Гц) может вызывать усиление тремора и паркинсонического синдрома, тогда как высокочастотная электростимуляция (более 50Гц) приводит к уменьшению выраженности этих симптомов.

3 Выбор материала и формы электрода

Важнейшим требованием к материалу, из которого изготавливают электроды, являются отсутствие поляризации в процессе стимуляции. Явление поляризации связано с тем, что вследствие электрохимических процессов в электролитной среде в области контакта электрода с тканями головного мозга накапливается избыток ионов, что приводит к включению постоянного потенциала, резко искажающего стимуляцию структур головного мозга.

Исходя из вышесказанного, наиболее широкое применение для имплантируемых электродов имеют платина, платиноиридиевый сплав и нержавеющая сталь марки 316.

При имплантировании активных электродов в головной мозг в качестве материала электрода применяют главным образом платину при двухфазной стимуляции с компенсируемым зарядом с верхним пределом плотности заряда 0,03мкКл/мм². Электроды из платины с покрытием Ta-Ta₂O₅ имеют коэффициент шероховатости 100 и безопасны при плотности заряда 0,934 мкКл/мм².

Металлические электроды, предназначенные для стимуляции глубинных структур головного мозга человека, представляют собой, как правило, цилиндрические электроды с диаметром рабочих поверхностей, не превышающих 1…2,5 мм. Увеличение диаметра электрода чревато появлением потенциала возбуждения при введении рабочего торца электрода в клетку через мембрану. По всей длине, за исключением рабочих поверхностей, электрод должен быть изолирован. Изоляционным материалом для электрода является силикон. Силикон обладает необходимыми изоляционными свойствами и является  биологически безопасным для человека.

Металлические электроды из  платины обладают необходимой твёрдостью и жёсткостью, а так же обладают биологической инертностью, не окисляются и являются хорошими проводниками токов высокой частоты.

Цилиндрические электроды различаются между собой количеством и размерами контактной поверхности, расстоянием между ними и длиной самих контактов. Контакты цилиндрических электродов принято пронумеровывать от конца электрода в проксимальном направлении.

Рисунок – 3 Малоинвазивные цилиндрические металлические электроды.

В зависимости от анатомических особенностей и от степени тяжести симптомов болезни подбирают диаметр электрода, количество контактных площадок, расстояние между контактными площадками и длину контактных площадок.

На практике выбирают от 2-х до 4-x контактных площадок на одном электроде. При этом выполняется тщательное хирургическое планирование и определение местоположения на основании полученных до операции данных отображения области объекта в головном мозге пациента. Впоследствии, до имплантации постоянного стимулирующего электрода, во время хирургической операции при DBS бригада врачей выполняет электрофизиологическое исследование области объекта, используя регистрирующие микроэлектроды, и впоследствии использует короткую пробную стимуляцию, чтобы исследовать влияние стимуляции на симптомы болезни.

Такую процедуру выполняют для точного определения местоположения электрода и для выбора количества контактных площадок, расстояния между контактными площадками и длины контактных площадок.

Например, для 4-х контактного электрода с длиной контактной площадки 1,5мм и диаметром контактных площадок 1,5мм площадь равна:

, где  - диаметр электрода,  - длина контактной площадки. А площадь всего электрода с расстоянием между контактными площадками 0,5мм и кончиком в 1,5мм равна:

. Значительное уменьшение площади электрода может повлечь за собой искажение амплитуды и формы излучаемого сигнала.

4 Конструкция электрода

Рисунок – 4 Рентгеновский снимок черепа с электродами, введёнными в мозг для глубинной электростимуляции.

Рисунок – 5 Рентгенографическая картина расположения электродов