基于有限元的螺旋電極刺激視神經的電場特性分析.pdf

1、研究目的：
　　視覺假體是一種旨在恢復部分或完全失明患者視覺功能的電子設備。電刺激視神經能夠產生視覺感知。刺激電極幾何形狀對神經損傷和刺激選擇性有很重要的影響。有限元方法是一種可用于求解復雜容積導體模型電場分布的數(shù)值方法。本論文應用有限元軟件COMSOL Multiphysics設計出一種形狀自適應的新型螺旋電極，其目的是使其盡可能減小神經損傷，實現(xiàn)選擇刺激視神經纖維束，為神經電刺激提供計算支持。
　　研究方法：
　　

2、1.應用有限元軟件COMSOL Multiphysics建立視神經和螺旋袖套電極的幾何模型；選用不同的電極刺激模式(單級、雙極和三極)刺激視神經。應用有限元方法，選擇合適的網格剖分和邊界條件，通過計算電勢、電場和電流密度分布來分析不同的電極刺激模式對刺激的影響。
　　2.建立視神經容積導體模型，模型包含五個半徑相同的纖維束。在三極刺激模式下，通過COMSOL Multiphysics計算不同神經纖維束處的電勢和電流密度，并應用激活

3、函數(shù)來分析電極--神經間距離對刺激的影響。
　　3.研究視神經周圍組織電特性對刺激效果的影響。選取不同厚度的腦脊液層(cerebrospinal fluid，CSF)，通過參數(shù)掃描的方法分析CSF厚度變化對刺激效果的影響。
　　4.設計出一種新型螺旋電極。它由起支撐和絕緣隔離作用的硅橡膠螺旋支架和嵌入支架內的鉑金觸點組成。引入激活函數(shù)來表征刺激效果，應用COMSOLMultiphysics仿真分析新型螺旋電極對視神經纖維選擇

4、性刺激的能力，并考慮電極觸點位置的變化對選擇性的影響。
　　研究結果：
　　1.單級模式下，沿著電極表面的電流密度分布是非均勻的。在電極和神經髓鞘接觸處局部最大，遠離電極迅速減小。仿真結果表明，雙極刺激模式下，分別位于神經干對側位置的兩個電極間的電流存在一定的縱向分量有可能使神經干興奮。同樣刺激條件下，三極刺激模式的電流密度最大值、電場強度最大值都要比雙極模式高。
　　2.在三極螺旋觸點電極刺激下，電極--神經距離對神

5、經軸向的電勢變化影響不明顯。距離電極近的神經纖維束電流密度值大，激活函數(shù)幅度變化最明顯。
　　3.CSF厚度的增加對電勢的影響不明顯。應用參數(shù)掃描的方法仿真表明，由于腦脊液層的電導率比其他組織大，隨著腦脊液層厚度增加，電極電場分布范圍更大，但對電流的散射阻礙使神經刺激效果變差。
　　4.假定激活函數(shù)的歸一化閾值為0.1V/m2，新型螺旋電極激活函數(shù)大于閾值的比例比傳統(tǒng)袖套電極大1.2410％。當新型螺旋電極兩端的電極觸點靠近

6、中間觸點時，可以優(yōu)先激活細視神經纖維束，后激活粗纖維束。
　　研究結論：
　　1.電流密度最大值集中分布在電極--神經髓鞘接觸處。雙極刺激模式所需引線少，植入簡單，易于臨床應用。三級模式觸點多，更有利于實現(xiàn)選擇性刺激。根據(jù)結果需求選擇最適宜的刺激模式，獲得最佳刺激結果，從而為視神經假體的研究提供一定的幫助。
　　2.通過分析不同纖維束的刺激結果，可以在一定程度上表明電極--神經間的距離關系對刺激的影響。仿真結果表明位于