本文選題：隨機(jī)共振 + 胞外電刺激　； 參考：《天津醫(yī)科大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：研究目的視網(wǎng)膜上假體是一種在視網(wǎng)膜上部植入微電極陣列電刺激存活的視網(wǎng)膜神經(jīng)元來恢復(fù)盲人視覺功能的人工器官。它的靶向細(xì)胞主要是視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(Retinal Ganglion Cell,RGC)。視網(wǎng)膜上假體廣泛應(yīng)用于臨床和科學(xué)研究,并已經(jīng)商業(yè)化,但其在圖像處理,刺激電極,視覺分辨率及準(zhǔn)確性,設(shè)備的生物相容性和使用壽命等方面仍需要提高。視網(wǎng)膜上假體微電極陣列在視網(wǎng)膜中是一個(gè)長(zhǎng)期植入的過程,因此能量消耗是影響假體性能很重要的一個(gè)方面。高的刺激閾值會(huì)產(chǎn)生過高的能量消耗,可能會(huì)引起組織損傷,影響假體的使用壽命。目前用于降低視網(wǎng)膜上假體刺激閾值和能量消耗的方法有多種,但大多數(shù)仍處于研究階段。視網(wǎng)膜上假體臨床應(yīng)用的刺激波形一般為電荷平衡的雙相矩形脈沖。本文期望在不改變雙相矩形脈沖刺激波形的情況下找到一種減少視網(wǎng)膜上假體刺激閾值和能量消耗的方法。研究方法隨機(jī)共振(Stochastic Resonance,SR)能夠用于提高神經(jīng)元對(duì)閾下信號(hào)的檢測(cè)和信息傳輸能力,并且在人工耳蝸及呼吸機(jī)等假體裝置中已經(jīng)有所研究和應(yīng)用。因此本文探究了RGC中是否存在SR現(xiàn)象及SR對(duì)RGC中閾下信號(hào)檢測(cè)和信息傳輸能力的影響,同時(shí)將SR的特性應(yīng)用到視網(wǎng)膜上假體刺激中。本文通過建立一個(gè)胞外電刺激RGC多房室模型來模擬視網(wǎng)膜上假體單電極電刺激RGC的過程。RGC模型膜的特性采用Fohlmeister-Colman-Miller(FCM)模型。胞外刺激電極為單相理想點(diǎn)電極,作用于RGC軸突上。RGC模型的刺激為附加噪聲的閾下信號(hào),其中,閾下信號(hào)為視網(wǎng)膜上假體臨床應(yīng)用的經(jīng)典刺激波形─雙相矩形脈沖序列;噪聲信號(hào)分別為隨機(jī)雙相矩形脈沖序列,類似突觸傳遞噪聲的泊松散粒噪聲,有色噪聲Ornstein Uhlenbeck(OU)過程,傳統(tǒng)的高斯白噪聲。觀察刺激中有無噪聲時(shí)RGC模型的響應(yīng)。功率模和互信息率的方法用于評(píng)估SR現(xiàn)象,并比較不同噪聲類型下產(chǎn)生SR的效果。噪聲的加入會(huì)產(chǎn)生額外的能量消耗。為了減小這種不利的影響,本文僅僅將噪聲附加到能夠引起RGC響應(yīng)的刺激波形的陰極相和陽(yáng)極相,同時(shí)與調(diào)整噪聲附加方式前的刺激波形的能量進(jìn)行比較。采用遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)優(yōu)化產(chǎn)生最優(yōu)SR效果的噪聲類型的噪聲參數(shù),找到能量消耗和電荷量總和最小的噪聲參數(shù)組合,并與閾值水平的能量消耗和電荷量進(jìn)行比較。研究結(jié)果分別將一定強(qiáng)度的四種噪聲附加到閾下信號(hào)時(shí),RGC均能夠產(chǎn)生動(dòng)作電位。四種噪聲的噪聲參數(shù)對(duì)RGC輸入刺激和響應(yīng)間的功率模和互信息率都有影響。當(dāng)附加噪聲為隨機(jī)雙相矩形脈沖序列時(shí),較大的脈沖寬度容易產(chǎn)生較高的功率模,同時(shí)產(chǎn)生最大功率模所需的隨機(jī)雙相矩形脈沖序列的均方根幅值均在小于30μA的范圍內(nèi)。當(dāng)附加噪聲為OU過程時(shí),隨著噪聲相關(guān)率的增加,它所對(duì)應(yīng)的最大功率模整體上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),而產(chǎn)生最大功率模所需要的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差,整體上卻表現(xiàn)出相反的過程。隨著噪聲水平的增加,四種噪聲的功率模和互信息率值與噪聲強(qiáng)度間的關(guān)系曲線整體上呈現(xiàn)一個(gè)倒U型。隨著四種噪聲的噪聲水平的增加,RGC輸入刺激與響應(yīng)之間的一致性逐漸增加,但當(dāng)噪聲水平進(jìn)一步增加時(shí),會(huì)產(chǎn)生許多隨機(jī)性的放電。比較四種噪聲,隨機(jī)雙相矩形脈沖序列和泊松散粒噪聲在適當(dāng)?shù)脑肼曀较?RGC輸入信號(hào)與響應(yīng)之間的一致性效果較好。隨著噪聲水平的增加,較長(zhǎng)的峰間間隔逐漸消失。對(duì)比四種噪聲下的RGC響應(yīng),隨機(jī)雙相矩形脈沖序列能夠產(chǎn)生最大的功率模和互信息率值。調(diào)整噪聲附加到閾下信號(hào)的方式后,刺激波形的能量消耗降低,存在低于閾值水平的能量消耗。隨機(jī)雙相矩形脈沖序列的噪聲參數(shù)對(duì)刺激波形的能量消耗有影響。對(duì)噪聲參數(shù)進(jìn)行8次獨(dú)立的GA優(yōu)化后,得到最佳噪聲參數(shù)的平均值為b_w=0.1449ms,b_T=0.4204ms,E[A_(rms)]=3.8184ms,最小成本函數(shù)值的平均值為308.6690pJ。閾值水平的能量消耗和電荷量分別為468.18pJ,15.30nC。與閾值水平相比,經(jīng)過優(yōu)化后的刺激波形的能量消耗和電荷量的總和降低了36.2%。應(yīng)用帶有通過最佳噪聲參數(shù)平均值產(chǎn)生的噪聲的閾下信號(hào)來刺激RGC模型,重復(fù)20次刺激后,刺激波形的能量和電荷量的平均值分別為301.0196pJ,11.9644nC,相比閾值水平的能量和電荷量減小了35.7%和21.8%;最小值分別為285.4879pJ,11.6608nC,分別減小了39.0%和23.8%。研究結(jié)論噪聲會(huì)影響RGC的響應(yīng),適當(dāng)水平噪聲加入到閾下信號(hào)能夠促進(jìn)RGC的響應(yīng)。RGC中存在SR現(xiàn)象,并且隨機(jī)雙相矩形脈沖序列、泊松散粒噪聲、OU過程及高斯白噪聲都能夠用來產(chǎn)生和調(diào)節(jié)SR現(xiàn)象。比較四種類型的噪聲,隨機(jī)雙相矩形脈沖序列和OU過程噪聲更容易產(chǎn)生SR,但前者產(chǎn)生的SR的效果更好。此外,綜合功率模和互信息率值的計(jì)算結(jié)果,可以得出SR能夠增強(qiáng)RGC對(duì)閾下信號(hào)的檢測(cè)能力和信息傳輸能力。僅僅將隨機(jī)雙相矩形脈沖序列作為噪聲附加到閾下信號(hào)的陰極相和陽(yáng)極相,能夠起到減小RGC刺激閾值、刺激波形的能量消耗和電荷量的作用。這個(gè)方法有助于減小視網(wǎng)膜上假體的刺激閾值和能量消耗,減小組織損傷,對(duì)于將SR應(yīng)用到視網(wǎng)膜上假體刺激,提高視網(wǎng)膜上假體的性能具有一定意義。
[Abstract]:The purpose of this study is to study the retinal ganglion cells ( RGC ) , which is a retinal ganglion cell ( RGC ) . 瑙嗙綉鑶滀笂鍋囦綋騫挎硾搴旂敤浜庝復(fù)搴婂拰縐戝鐮旂┒,騫跺凡緇忓晢涓氬寲,浣嗗叾鍦ㄥ浘鍍忓鐞，

本文編號(hào)：1772218