【摘要】：研究目的：視網(wǎng)膜前假體通過微電極陣列電刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，幫助盲人恢復(fù)視力。電刺激時(shí)刺激配置方式(刺激電極與回收電極觸點(diǎn)組成的方式)的選擇對空間分辨率有重要影響；另外，長期電刺激視網(wǎng)膜會產(chǎn)生焦耳熱，使視網(wǎng)膜溫度增加，可能會造成視網(wǎng)膜的熱損傷。為了改進(jìn)刺激配置，提高空間分辨率，本文運(yùn)用有限元方法分析回收電極觸點(diǎn)的幾何因素對神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層激活區(qū)域的影響；同時(shí)為了防止視網(wǎng)膜熱損傷，保證電刺激的安全性本文分析了微電極陣列電刺激視網(wǎng)膜導(dǎo)致的視網(wǎng)膜內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度場分布及陣列參數(shù)對溫度的影響。研究方法：

1.微電極陣列電刺激視網(wǎng)膜的三維模型構(gòu)建。利用有限元軟件COMSOL Multiphysics建立微電極陣列電刺激視網(wǎng)膜的三維模型。模型包括玻璃體、視網(wǎng)膜、脈絡(luò)膜、鞏膜和微電極陣列(刺激電極與回收電極觸點(diǎn))。

2.回收電極觸點(diǎn)幾何因素對激活區(qū)域影響的仿真。一個(gè)刺激電極觸點(diǎn)，兩個(gè)回收電極觸點(diǎn)構(gòu)成三極刺激配置。三極刺激配置研究中對視網(wǎng)膜進(jìn)行分層建模。根據(jù)回收電極觸點(diǎn)與刺激電極觸點(diǎn)的空間排布，分為正三角形和平行三極刺激。利用COMSOL Multiphysics計(jì)算不同刺激電極與回收電極觸點(diǎn)中心間距、回收電極觸點(diǎn)中心間距、回收電極觸點(diǎn)面積(半徑)下神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層的電場分布。通過計(jì)算神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層橫截面的激活面積來反應(yīng)電場聚焦性好壞。

3.微電極陣列電刺激視網(wǎng)膜溫度場的研究。4×4微電極陣列單極刺激配置下，利用改進(jìn)的生物熱傳遞方程計(jì)算多觸點(diǎn)電刺激時(shí)視網(wǎng)膜的穩(wěn)態(tài)溫度場分布。采用參數(shù)掃描法分析刺激電極觸點(diǎn)中心間距、觸點(diǎn)面積(半徑)、以及電極材料、刺激電極觸點(diǎn)位置對溫度場分布的影響。研究結(jié)果：

1.三極刺激配置仿真結(jié)果。三極刺激配置刺激時(shí)，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層上的激活區(qū)域集中于刺激電極組下方，未分散分布，越靠近刺激電極觸點(diǎn)的地方越容易被激活。當(dāng)刺激電極觸點(diǎn)與回收電極觸點(diǎn)面積相同，且刺激電極與回收電極觸點(diǎn)中心間距保持一致時(shí)，正三角形刺激比平行刺激的激活面積要小。刺激電極與回收電極觸點(diǎn)中心間距從520μm增加到1430μm時(shí)，各截面上激活面積比原來增大了8.4%-14.4%，電場聚焦性變差，激活區(qū)域擴(kuò)大。刺激電極與回收電極觸點(diǎn)中心間距不變，回收電極觸點(diǎn)中心間距從2x520sin(15。)μm增加到2x520sin(45。)μm，各截面上激活面積比原來減小了17.2%-38.7%，電場聚焦性增強(qiáng)，激活區(qū)域減小。回收電極觸點(diǎn)面積(半徑)的增加時(shí)，電場聚焦性變好，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層上對應(yīng)于電極觸點(diǎn)下方附近的激活區(qū)域變小。

2.單極刺激下溫度場分布。16個(gè)電極觸點(diǎn)同時(shí)刺激時(shí)，視網(wǎng)膜內(nèi)穩(wěn)態(tài)溫度最大增加0.0039℃;采用四電極觸點(diǎn)組刺激時(shí)，分散組溫度增加值最小，中心組最大，二者相差約0.0005℃。陣列中刺激電極觸點(diǎn)中心間距從390μm增加至780gm或觸點(diǎn)半徑從130μm增加到260μm，視網(wǎng)膜內(nèi)溫度增加值降低超過0.005℃；觸點(diǎn)材料的改變對溫度變化的影響很小可忽略。研究結(jié)論：

1.兩種三極刺激配置的仿真結(jié)果表明，當(dāng)保持相同的刺激電極觸點(diǎn)與回收電極觸點(diǎn)中心間距以及電極觸點(diǎn)面積的前提下，正三角形刺激比平行刺激的電場聚焦性要好，分辨率更高。

2.三極刺激配置結(jié)構(gòu)簡單，容易進(jìn)行多種設(shè)計(jì)，可通過減小刺激電極觸點(diǎn)與回收電極觸點(diǎn)中心間距，適當(dāng)增加回收電極觸點(diǎn)中心間距與觸點(diǎn)面積來提高電場聚焦性，減少激活區(qū)域，優(yōu)化聚焦性刺激，提高空間分辨率。

3.溫度場仿真結(jié)果表明，單極刺激配置下，4×4微電極陣列電刺激時(shí)，視網(wǎng)膜內(nèi)溫度增加值較小，溫度增加較大的地方集中在刺激微電極陣列附近。視網(wǎng)膜內(nèi)最大溫度隨著刺激電極觸點(diǎn)中心間距或面積的增加而降低，但是間距值增加到觸點(diǎn)直徑值時(shí)溫度增加開始變緩；不同電極材料之間的結(jié)果差別很小。合理設(shè)計(jì)刺激電極觸點(diǎn)中心間距和面積可以減少電刺激時(shí)的溫升。刺激觸點(diǎn)數(shù)目變?yōu)?倍時(shí)，溫度增大0.0017℃，未成倍增加，因此單極刺激配置下刺激電極觸點(diǎn)數(shù)目可增加至上百個(gè)。