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【摘要】:研究目的:視網(wǎng)膜前假體通過(guò)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(duì)空間分辨率有重要影響;另外,長(zhǎng)期電刺激視網(wǎng)膜會(huì)產(chǎn)生焦耳熱,使視網(wǎng)膜溫度增加,可能會(huì)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(duì)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(chǎng)分布及陣列參數(shù)對(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)分布。通過(guò)計(jì)算神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層橫截面的激活面積來(lái)反應(yīng)電場(chǎng)聚焦性好壞。
3.微電極陣列電刺激視網(wǎng)膜溫度場(chǎng)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(chǎng)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(duì)溫度場(chǎng)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(lái)增大了8.4%-14.4%,電場(chǎng)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(lái)減小了17.2%-38.7%,電場(chǎng)聚焦性增強(qiáng),激活區(qū)域減小?;厥针姌O觸點(diǎn)面積(半徑)的增加時(shí),電場(chǎng)聚焦性變好,神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層上對(duì)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(chǎng)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(guò)0.005℃;觸點(diǎn)材料的改變對(duì)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(chǎng)聚焦性要好,分辨率更高。
2.三極刺激配置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易進(jìn)行多種設(shè)計(jì),可通過(guò)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(lái)提高電場(chǎng)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(chǎng)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(kāi)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)。