视网膜上电刺激的三维有限元建模和仿真研究
本文关键词：视网膜上电刺激的三维有限元建模和仿真研究
更多相关文章： 三维有限元建模 视网膜上假体 电场强度 MEMS电极 阈值电流 空间分辨率
【摘要】：视网膜上视觉假体已经成为国际上对视网膜色素变性或老年黄斑变性盲人进行视觉功能修复的研究热点，并成功通过欧洲CE标记。该假体通过植入的微电极阵列直接对视网膜组织进行电刺激，从而使得盲人能够在视皮层产生光幻视，形成视觉。为了深入研究电极如何影响电刺激效果，本文通过三维（3-D）有限元建模的方法，系统性地分析电极尺寸、电极到视网膜表面的距离以及电极形状等参数对视网膜电刺激的影响，进一步探讨如何通过电极优化的方式来提高人工视觉的修复效果。 本文主要根据视网膜的生理结构特点和实验参数，将视网膜分成五层，以便更有效地研究电刺激对神经节细胞层(ganglion cell layer,GCL）的影响。结合传统的体内植入式MEMS刺激电极的结构与特点，基于COMSOL Multiphysics3.5a有限元仿真软件，建立了3-D有限元铂电极-视网膜分层模型。文中以电场强度的大小作为衡量细胞兴奋程度的标准，并将1000V/m的场强作为等效的刺激阈值标准。若GCL中轴线的中间所诱发的电场强度达到1000V/m，则认定此时对应的输入电流为阈值电流。 本文的主要研究结果如下： （1）当电极十分靠近视网膜表面时，随着电极尺寸的增加，阈值电流也会急剧增加。相较小电极而言，大电极的阈值电流更加稳定，距离的变化对其影响较小。这与电生理实验和临床试验的结果相吻合。 （2）视觉假体的空间分辨率与电极在GCL上诱发的电场有一定的联系。本文提出“有效响应区域”的概念，即GCL上响应电场不小于1000V/m的区域，作为衡量能产生动作电位的细胞响应范围。在各个电极都采用阈值电流作为输入激励的前提下，使用尺寸适中电极（~75μm）在一定的距离（200μm）下，可能会获得更高的分辨率。 （3）能否保持电极表面电荷注入量低于安全阈值是关系到植入的电极是否能长期在体内安全工作的关键问题。本文根据MEMS的工艺，分别对内凹电极、平面电极、外凸电极和包覆电极进行了仿真研究，发现使用内凹电极进行电流刺激可以在目标神经节细胞层上获得更强更集中的电极同时保持电极表面电荷密度在安全阈值内。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.18
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