脑深部电刺激术(deep brain stimulation, DBS)利用脑立体定向手术在脑内特定神经核团的位置植入电极,通过高频电刺激可抑制异常电活动的神经元,从而对某些神经系统疾病起到治疗的作用。但是,目前DBS也存在一些严重的并发症和副作用,而其中一个重要原因就是微电极定位不准。为了保证穿刺定位精度,提高手术成功率,研究适合一次性成功植入的微电极结构优化和精密定位的驱动策略,开发更为可靠的穿刺设备十分必要,而对脑组织力学性能与穿刺机理的研究是该研究中最关键的部分。本文通过对试验、理论分析和有限元仿真结合的方法,以猪脑为研究对象,对脑组织的力学性能和穿刺机理进行了研究。对脑模型三维实体重建技术进行了介绍,并确定了重建的方案。分别从数字大脑模型与MRI三维扫描图像出发建立了人脑和猪脑的三维实体模型,并确定了脑深部电极植入的穿刺路径。研究发现,人脑与猪脑在结构上具有一定的相似性,穿刺路径上组织前半段以灰质为主,而后半段以白质为主,通过进行猪脑穿刺试验来研究人脑电极植入过程与机理是可行的。搭建了一个多功能脑组织测试平台,通过压缩-松弛试验测得了不同应变率条件下的脑组织应力-应变关系。利用准线性粘弹性模型,以Odgen超弹性模型定义脑组织瞬时力学特征,以Prony级数描述其粘弹性特征,得出了可用于有限元分析的脑组织粘弹性力学模型。提出了一种建立粘性超弹性模型的新方法,通过引入理想因子k,对弹性和粘性响应分别求解,并推算出理想阶跃压缩时松弛函数,建立了更为简单可靠的模型。得出在理想因子K取值为10时,本模型与试验数据最为吻合。提出了对松弛函数Prony级数阶数选择的判定标准。由于测试压缩速度和松弛时间有限,试验的短时和长时响应永远不可能测得,因此,为更好地描绘松弛曲线,只有Prony级数中的项对测试时间段影响远小于1时,才可以进行简化。并就此提出了脑组织模型应用范围的通用原则。一般情况下,模型应用的应变率不应超出测试的最大应变率,且模型应用的分析时间不应超出测试的时间。本文所建立的模型适用于分析时间小于20 s,应变率小于1 s-1的情况。通过进行脑组织穿刺试验测得了不同条件下穿刺过程中穿刺针的受力变化,对脑组织穿刺机理进行了研究。分析穿刺过程中的穿刺力变化曲线,讨论了穿刺过程的各个阶段的组织变形。试验发现,随着穿刺速度增加,刺破力变化不明显,刺破深度减小,而穿刺力峰值增大；随着穿刺针直径的增加,刺破力,刺破深度和穿刺力峰值都增大。利用能量分析法对穿刺过程进行了建模,在穿刺过程中,能量的来源为穿刺力对组织做功,而能量的消耗主要有：组织的压缩储存的弹性应变能,切开新组织消耗的表面能,穿刺过程中摩擦消耗的摩擦能和其它耗散能。就各个穿刺阶段的能量变化与所表现出的穿刺力变化进行了分析,模型从能量角度阐释了穿刺脑组织的机理,解释了穿刺速度与穿刺针直径对穿刺的影响。建立了电极穿刺脑组织的有限元模型,对穿刺过程进行仿真,获得了穿刺变形时针尖附近脑组织的变形及应力分布情况,并分析了不同穿刺条件对其影响。