视网膜上假体的电刺激脉冲及其波形的优化

发布时间：2018-11-18 19:48

【摘要】：研究目的视觉假体是一种帮助失明患者重获视觉的人工器官,其通过微电极阵列施加电刺激使视觉通路中视觉神经细胞产生兴奋响应。根据刺激电极作用的位置视觉假体有多种类型。电刺激作用在视神经节细胞(RGC)上的视觉假体是视网膜上假体。视网膜上假体是目前研究和应用较为广泛的一种视觉假体,但其实验和临床的效果仍不很理想。电刺激波形是影响实验临床效果的众多因素之一。传统的刺激波形为双相矩形脉冲,其参数包含阴极相刺激幅值、阴极相持续时间、阴极相与阳极相的幅值比和相间间隔。目前视网膜上假体中应用的矩形脉冲的刺激参数较为不统一。除矩形脉冲,实际还存在多种电刺激波形,而那种刺激波形更适合应用在视网膜上假体中仍未确定。为视网膜上假体寻找合适的脉冲参数和电刺激波形形状是有待解决的重要问题之一。研究方法建立胞外刺激仿真模型来模拟视网膜上假体的电刺激。RGC细胞采用多房室模型模拟,其膜特性采用Fohlmeister-Colman-Miller(FCM)模型。理想点电极模拟胞外刺激电极,且放在RGC细胞胞体上。利用参数扫描法寻找双相刺激脉冲的最优参数值。根据文献确立矩形脉冲参数及其优化范围:阴极相持续时间0.1ms到1ms,幅值比1到30,相间间隔0ms到5ms。仅改变阴极相的刺激幅值,能使RGC细胞产生动作电位(AP)的最低阴极相刺激幅值称为该矩形脉冲的刺激阈值。扫描矩形脉冲的刺激参数空间,寻找不同矩形脉冲的刺激阈值,计算阈值时的能量消耗和阴极相传递的电荷量;选择阈值及阈值能量和阈值电荷最低时对应的参数值为该矩形脉冲的最佳参数值。采用遗传算法(GA)优化视网膜上假体的刺激波形形状。电刺激波形由刺激作用的阴极相和平衡电荷的阳极相组成。文中GA算法主要优化固定持续时间的阴极相。为保证电荷平衡,刺激波形的阴极相后直接增加一个与阴极相持续时间和传递电荷量相等的阳极矩形脉冲。不同成本函数的GA算法可优化出不同的刺激波形形状。比较GA算法优化的波形与其他刺激波形在使RGC细胞产生AP时的能量消耗和传递电荷量;比较的波形包括矩形脉冲,指数波,阶梯波,线性波,三角波,正弦波,高斯波。研究结果胞外电刺激仿真模型能够模拟电刺激RGC细胞的全过程。刺激脉冲达到阈值时,RGC细胞能够产生AP。AP产生期间,RGC细胞膜上离子通道的电流及其状态变量随着膜电压的变化而变化。固定刺激脉冲的其他刺激参数,扫描阴极相持续时间时,在0.1ms阴极相持续时间时刺激阈值有最低值15.4μA,此时刺激能量也为最低值474.4p J。在阴极相持续时间1ms时,阴极相传递电荷量有最低值11.49n C。固定其他刺激参数,双相矩形脉冲的阴极相与阳极相的幅值比变化至29或30时,刺激阈值得到最低值28.7μA,刺激能量有最小值757.8p J,阴极相传递电荷量为最低值13.21n C。固定双相矩形脉冲的其他刺激参数时,在0.5ms到1.1ms相间间隔范围内刺激阈值得到最低值26.3μA,此时能量以及传递电荷量也为最小值,分别为636.4p J,12.10n C。同时优化刺激脉冲的参数时,刺激阈值最低值为13.7μA,此时阴极相持续时间为1ms,阴极相与阳极相的幅值比为30和相间间隔时间为0.8ms到5ms。在阴极相持续时间1ms,幅值比30和相间间隔5ms时,阈值能量达到最低值188.5p J。阈值时阴极相传递电荷量的最低值(11.84n C)是在阴极相持续时间为0.1ms,阴极相与阳极相的幅值比为30和相间间隔为5ms时。随着GA算法的进展,刺激波形逐渐汇聚到一个能量消耗或传递电荷量最优的形状。GA能量波形是以能量消耗为成本函数的GA算法获得的的刺激波形,其优化一万代后的形状类似于截断的偏峰曲线。同时考虑能量和电荷量的GA算法优化一万代后获得的GA波形形状类似于GA能量波形,但其刺激幅值更随机。0.46ms阴极相持续时间的GA能量波形的能量消耗最低为760.8p J;其阴极相传递电荷量为13.04n C。0.46ms阴极相持续时间的GA波形的能量消耗和阴极相传递电荷量最低分别为766.8p J和12.55n C。相比其他刺激波形,GA能量波形引发AP时消耗的能量最低,其次为二段阶梯波形。指数上升波形引发AP时的能量消耗和传递电荷量均最高。在0.46ms阴极相持续时间的刺激波形中,GA能量波形引发AP时能量消耗最多减少673.3p J,电荷量最多减少0.53n C,其相对减少率最高分别为87.03%和1.13%。GA波形引发AP时的能量消耗和电荷量最多减少667.3p J和9.01n C。研究结论双相矩形脉冲的参数能够影响到刺激阈值,阈值时能量消耗和阴极相传递电荷量。扫描刺激参数的动态空间可搜索到视网膜上假体满足阈值,阈值时能量和电荷量最低的矩形脉冲。阴极相持续时间越长,刺激阈值越低,能量消耗越小,而阴极相传递电荷量越多。增加阴极相与阳极相的幅值比时,刺激阈值,能量和传递电荷量均先迅速升高后逐渐降低。随着相间间隔的时间增加,刺激阈值、能量和传递电荷量先迅速下降后缓慢升高。没有同时满足刺激阈值,阈值时能量和传递电荷量最低的矩形脉冲参数组合。固定刺激持续时间时,每次GA算法优化的刺激波形逐代汇聚到一个类似的形状。GA算法优化的波形比其他刺激波形使RGC细胞产生AP时所需的能量和电荷量更低。能量消耗最低的是GA能量波形。同时考虑到能量消耗和传递电荷量时,GA波形是最优的。优化的刺激脉冲或刺激波形形状对视网膜上假体以及其他类型的视觉假体的研究和应用有很大的帮助。若采用优化的刺激脉冲参数或刺激波形形状,视网膜上假体将有利于延长其使用寿命,从而降低成本。这些能够为视网膜上假体提供更高效的刺激方式。
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【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.18

【引证文献】