本文選題：視神經(jīng)假體 + 新型螺旋電極��； 參考：《天津醫(yī)科大學(xué)》2012年碩士論文

【摘要】：研究目的： 視覺假體是一種旨在恢復(fù)部分或完全失明患者視覺功能的電子設(shè)備。電刺激視神經(jīng)能夠產(chǎn)生視覺感知。刺激電極幾何形狀對神經(jīng)損傷和刺激選擇性有很重要的影響。有限元方法是一種可用于求解復(fù)雜容積導(dǎo)體模型電場分布的數(shù)值方法。本論文應(yīng)用有限元軟件COMSOL Multiphysics設(shè)計(jì)出一種形狀自適應(yīng)的新型螺旋電極,其目的是使其盡可能減小神經(jīng)損傷,實(shí)現(xiàn)選擇刺激視神經(jīng)纖維束,為神經(jīng)電刺激提供計(jì)算支持。 研究方法： 1.應(yīng)用有限元軟件COMSOL Multiphysics建立視神經(jīng)和螺旋袖套電極的幾何模型：選用不同的電極刺激模式(單級、雙極和三極)刺激視神經(jīng)。應(yīng)用有限元方法,選擇合適的網(wǎng)格剖分和邊界條件,通過計(jì)算電勢、電場和電流密度分布來分析不同的電極刺激模式對刺激的影響。 2.建立視神經(jīng)容積導(dǎo)體模型,模型包含五個半徑相同的纖維束。在三極刺激模式下,通過COMSOL Multiphysics計(jì)算不同神經(jīng)纖維束處的電勢和電流密度,并應(yīng)用激活函數(shù)來分析電極——神經(jīng)間距離對刺激的影響。 3.研究視神經(jīng)周圍組織電特性對刺激效果的影響。選取不同厚度的腦脊液層(cerebrospinal fluid, CSF),通過參數(shù)掃描的方法分析CSF厚度變化對刺激效果的影響。 4.設(shè)計(jì)出一種新型螺旋電極。它由起支撐和絕緣隔離作用的硅橡膠螺旋支架和嵌入支架內(nèi)的鉑金觸點(diǎn)組成。引入激活函數(shù)來表征刺激效果,應(yīng)用COMSOL Multiphysics仿真分析新型螺旋電極對視神經(jīng)纖維選擇性刺激的能力,并考慮電極觸點(diǎn)位置的變化對選擇性的影響。 研究結(jié)果： 1.單級模式下,沿著電極表面的電流密度分布是非均勻的。在電極和神經(jīng)髓鞘接觸處局部最大,遠(yuǎn)離電極迅速減小。仿真結(jié)果表明,雙極刺激模式下,分別位于神經(jīng)干對側(cè)位置的兩個電極間的電流存在一定的縱向分量有可能使神經(jīng)干興奮。同樣刺激條件下,三極刺激模式的電流密度最大值、電場強(qiáng)度最大值都要比雙極模式高。 2.在三極螺旋觸點(diǎn)電極刺激下,電極——神經(jīng)距離對神經(jīng)軸向的電勢變化影響不明顯。距離電極近的神經(jīng)纖維束電流密度值大,激活函數(shù)幅度變化最明顯。 3.CSF厚度的增加對電勢的影響不明顯。應(yīng)用參數(shù)掃描的方法仿真表明,由于腦脊液層的電導(dǎo)率比其他組織大,隨著腦脊液層厚度增加,電極電場分布范圍更大,但對電流的散射阻礙使神經(jīng)刺激效果變差。 4.假定激活函數(shù)的歸一化閾值為0.1V/m2,新型螺旋電極激活函數(shù)大于閾值的比例比傳統(tǒng)袖套電極大1.2410%。當(dāng)新型螺旋電極兩端的電極觸點(diǎn)靠近中間觸點(diǎn)時(shí),可以優(yōu)先激活細(xì)視神經(jīng)纖維束,后激活粗纖維束。 研究結(jié)論： 1.電流密度最大值集中分布在電極——神經(jīng)髓鞘接觸處。雙極刺激模式所需引線少,植入簡單,易于臨床應(yīng)用。三級模式觸點(diǎn)多,更有利于實(shí)現(xiàn)選擇性刺激。根據(jù)結(jié)果需求選擇最適宜的刺激模式,獲得最佳刺激結(jié)果,從而為視神經(jīng)假體的研究提供一定的幫助。 2.通過分析不同纖維束的刺激結(jié)果,可以在一定程度上表明電極——神經(jīng)間的距離關(guān)系對刺激的影響。仿真結(jié)果表明位于神經(jīng)中心的纖維束激活函數(shù)值相對較小,最不容易興奮。 3.CSF層厚度變化對刺激結(jié)果的分析可以為臨床中螺旋袖套電極植入視神經(jīng)提供一定的計(jì)算支持。 4.新型螺旋電極減小了電極與神經(jīng)的接觸面積,選擇性比傳統(tǒng)袖套電極好。改變新型螺旋電極的觸點(diǎn)位置可以實(shí)現(xiàn)選擇性激活視神經(jīng)纖維束。
[Abstract]:Purpose of study :

The visual prosthesis is an electronic device designed to restore the visual function of a partial or completely blind patient . The electrical stimulation optic nerve can produce visual perception . The stimulation electrode geometry has an important influence on neural injury and stimulation selectivity . The finite element method is a numerical method which can be used to solve the electric field distribution of complex volume conductor models . The purpose of this paper is to design a novel spiral electrode with adaptive shape by using the finite element software COMSOL Multiphysics .

Study method :

1 . The geometric model of optic nerve and spiral cuff electrode was established by using the finite element software COMSOL Multiphysics : different electrode stimulation modes ( single stage , bipolar and tripolar ) were used to stimulate optic nerve . The finite element method was applied to select the appropriate meshing and boundary conditions , and the effects of different electrode stimulation patterns on stimulation were analyzed by calculating potential , electric field and current density distribution .

2 . The optic nerve volume conductor model was established , and the model consisted of five fiber bundles with the same radius . In the three - pole stimulation mode , the potential and current density at different nerve fiber bundles were calculated by COMSOL Multiphysics , and the effect of electrode _ nerve distance on stimulation was analyzed by using the activation function .

3 . The effects of electrical characteristics of optic nerves around optic nerve on stimulation effect were studied . Different thicknesses of cerebrospinal fluid ( CSF ) were selected , and the effects of CSF thickness changes on stimulation effect were analyzed by parameter scanning .

4 . A new kind of spiral electrode is designed . It is composed of silicone rubber spiral support and platinum contact embedded in the support . The activation function is introduced to characterize the stimulation effect . The stimulation effect is analyzed by COMSOL Multiphysics simulation , and the influence of the change of electrode contact position on selectivity is taken into account .

Results of the study :

1 . In single mode , the current density distribution along the surface of the electrode is non - uniform . The local maximum at the contact of the electrode and the nerve myelin sheath decreases rapidly away from the electrode . The simulation results show that there is a certain longitudinal component of the current between the two electrodes in the lateral position of the nerve trunk in the bipolar stimulation mode . The maximum value of the current density and the maximum electric field intensity in the three - pole stimulation mode are higher than that of the bipolar mode .

2 . Under the stimulation of the three - pole spiral contact electrode , the electric potential change of the electrode _ nerve distance to the axial direction of the nerve is not obvious . The current density value of the nerve fiber bundle near the electrode is large , and the amplitude change of the activation function is most obvious .

3 . The effect of the increase of CSF thickness on electric potential is not obvious . The simulation results show that because the electrical conductivity of the cerebrospinal fluid layer is larger than that of other tissues , the distribution range of the electric field of the electrode increases with the increase of the thickness of the cerebrospinal fluid layer , but the scattering of the current impedes the effect of neural stimulation .

4 . Assuming that the normalized threshold of the activation function is 0.1V / m2 , the proportion of the new spiral electrode activation function greater than the threshold is 1.2410 % larger than that of the conventional sleeve electrode . When the electrode contact on both ends of the new spiral electrode is close to the middle contact , the fine optic nerve fiber bundle can be preferentially activated , and then the coarse fiber bundle is activated .

Conclusions of the study :

1 . The maximum concentration of the current density is distributed in the contact of the electrode _ nerve myelin sheath . The bipolar stimulation mode has few lead wires , simple implantation and easy clinical application . The three - stage mode contact is more and more advantageous to realize selective stimulation . According to the result demand , the most appropriate stimulation mode is selected , and the best stimulation result is obtained , so as to provide certain help for the research of optic nerve prosthesis .

2 . By analyzing the stimulation results of different fiber bundles , the influence of the distance relation between the electrodes and nerves can be indicated to some extent . The simulation results show that the value of the fiber bundle activation function is relatively small in the center of the nerve and is not easily excited .

3 . The analysis of CSF layer thickness changes to stimulation results can provide some calculation support for the implanted optic nerve of spiral cuff electrode in clinic .

4 . The new spiral electrode reduces the contact area between the electrode and the nerve , which is better than the traditional cuff electrode . The selective activation of the optic nerve fiber bundle can be realized by changing the contact position of the novel spiral electrode .
【學(xué)位授予單位】：天津醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：R318.6

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本文編號：2078199