本文關(guān)鍵詞：視網(wǎng)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(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行視覺功能修復(fù)的研究熱點，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。 本文主要根據(jù)視網(wǎng)膜的生理結(jié)構(gòu)特點和實驗參數(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，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的場強作為等效的刺激閾值標(biāo)準(zhǔn)。若GCL中軸線的中間所誘發(fā)的電場強度達到1000V/m，則認(rèn)定此時對應(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，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(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1000V/m的區(qū)域，作為衡量能產(chǎn)生動作電位的細(xì)胞響應(yīng)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(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行了仿真研究，發(fā)現(xiàn)使用內(nèi)凹電極進行電流刺激可以在目標(biāo)神經(jīng)節(jié)細(xì)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(nèi)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R318.18

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本文編號：1166673