視網(wǎng)膜上電刺激的三維有限元建模和仿真研究.pdf

1、視網(wǎng)膜上視覺假體已經(jīng)成為國際上對視網(wǎng)膜色素變性或老年黃斑變性盲人進(jìn)行視覺功能修復(fù)的研究熱點(diǎn),并成功通過歐洲 CE標(biāo)記。該假體通過植入的微電極陣列直接對視網(wǎng)膜組織進(jìn)行電刺激,從而使得盲人能夠在視皮層產(chǎn)生光幻視,形成視覺。為了深入研究電極如何影響電刺激效果,本文通過三維(3-D)有限元建模的方法,系統(tǒng)性地分析電極尺寸、電極到視網(wǎng)膜表面的距離以及電極形狀等參數(shù)對視網(wǎng)膜電刺激的影響,進(jìn)一步探討如何通過電極優(yōu)化的方式來提高人工視覺的修復(fù)效果。

2、r>　　本文主要根據(jù)視網(wǎng)膜的生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)參數(shù),將視網(wǎng)膜分成五層,以便更有效地研究電刺激對神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層(ganglion cell layer, GCL)的影響。結(jié)合傳統(tǒng)的體內(nèi)植入式MEMS刺激電極的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),基于COMSOL Multiphysics3.5a有限元仿真軟件,建立了3-D有限元鉑電極-視網(wǎng)膜分層模型。文中以電場強(qiáng)度的大小作為衡量細(xì)胞興奮程度的標(biāo)準(zhǔn),并將1000V/m的場強(qiáng)作為等效的刺激閾值標(biāo)準(zhǔn)。若 GCL中軸線的中

3、間所誘發(fā)的電場強(qiáng)度達(dá)到1000V/m,則認(rèn)定此時(shí)對應(yīng)的輸入電流為閾值電流。
　　本文的主要研究結(jié)果如下:
　　(1)當(dāng)電極十分靠近視網(wǎng)膜表面時(shí),隨著電極尺寸的增加,閾值電流也會急劇增加。相較小電極而言,大電極的閾值電流更加穩(wěn)定,距離的變化對其影響較小。這與電生理實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)的結(jié)果相吻合。
　　(2)視覺假體的空間分辨率與電極在GCL上誘發(fā)的電場有一定的聯(lián)系。本文提出“有效響應(yīng)區(qū)域”的概念,即GCL上響應(yīng)電場不小于10

4、00V/m的區(qū)域,作為衡量能產(chǎn)生動(dòng)作電位的細(xì)胞響應(yīng)范圍。在各個(gè)電極都采用閾值電流作為輸入激勵(lì)的前提下,使用尺寸適中電極(~75μm)在一定的距離(<200μm)下,可能會獲得更高的分辨率。
　　(3)能否保持電極表面電荷注入量低于安全閾值是關(guān)系到植入的電極是否能長期在體內(nèi)安全工作的關(guān)鍵問題。本文根據(jù)MEMS的工藝,分別對內(nèi)凹電極、平面電極、外凸電極和包覆電極進(jìn)行了仿真研究,發(fā)現(xiàn)使用內(nèi)凹電極進(jìn)行電流刺激可以在目標(biāo)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層上獲得更