本文關鍵詞：視網膜上電刺激的三維有限元建模和仿真研究

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【摘要】：視網膜上視覺假體已經成為國際上對視網膜色素變性或老年黃斑變性盲人進行視覺功能修復的研究熱點，并成功通過歐洲CE標記。該假體通過植入的微電極陣列直接對視網膜組織進行電刺激，從而使得盲人能夠在視皮層產生光幻視，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、電極到視網膜表面的距離以及電極形狀等參數(shù)對視網膜電刺激的影響，進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效果。 本文主要根據(jù)視網膜的生理結構特點和實驗參數(shù)，將視網膜分成五層，以便更有效地研究電刺激對神經節(jié)細胞層(ganglion cell layer,GCL）的影響。結合傳統(tǒng)的體內植入式MEMS刺激電極的結構與特點，基于COMSOL Multiphysics3.5a有限元仿真軟件，建立了3-D有限元鉑電極-視網膜分層模型。文中以電場強度的大小作為衡量細胞興奮程度的標準，并將1000V/m的場強作為等效的刺激閾值標準。若GCL中軸線的中間所誘發(fā)的電場強度達到1000V/m，則認定此時對應的輸入電流為閾值電流。 本文的主要研究結果如下： （1）當電極十分靠近視網膜表面時，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。這與電生理實驗和臨床試驗的結果相吻合。 （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“有效響應區(qū)域”的概念，即GCL上響應電場不小于1000V/m的區(qū)域，作為衡量能產生動作電位的細胞響應范圍。在各個電極都采用閾值電流作為輸入激勵的前提下，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系到植入的電極是否能長期在體內安全工作的關鍵問題。本文根據(jù)MEMS的工藝，分別對內凹電極、平面電極、外凸電極和包覆電極進行了仿真研究，發(fā)現(xiàn)使用內凹電極進行電流刺激可以在目標神經節(jié)細胞層上獲得更強更集中的電極同時保持電極表面電荷密度在安全閾值內。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：R318.18

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本文編號：1166673