【摘要】：研究目的：视网膜前假体通过微电极阵列电刺激视网膜神经节细胞，帮助盲人恢复视力。电刺激时刺激配置方式(刺激电极与回收电极触点组成的方式)的选择对空间分辨率有重要影响；另外，长期电刺激视网膜会产生焦耳热，使视网膜温度增加，可能会造成视网膜的热损伤。为了改进刺激配置，提高空间分辨率，本文运用有限元方法分析回收电极触点的几何因素对神经节细胞层激活区域的影响；同时为了防止视网膜热损伤，保证电刺激的安全性本文分析了微电极阵列电刺激视网膜导致的视网膜内稳态温度场分布及阵列参数对温度的影响。


研究方法：


1.微电极阵列电刺激视网膜的三维模型构建。利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立微电极阵列电刺激视网膜的三维模型。模型包括玻璃体、视网膜、脉络膜、巩膜和微电极阵列(刺激电极与回收电极触点)。


2.回收电极触点几何因素对激活区域影响的仿真。一个刺激电极触点，两个回收电极触点构成三极刺激配置。三极刺激配置研究中对视网膜进行分层建模。根据回收电极触点与刺激电极触点的空间排布，分为正三角形和平行三极刺激。利用COMSOL Multiphysics计算不同刺激电极与回收电极触点中心间距、回收电极触点中心间距、回收电极触点面积(半径)下神经节细胞层的电场分布。通过计算神经节细胞层横截面的激活面积来反应电场聚焦性好坏。


3.微电极阵列电刺激视网膜温度场的研究。4×4微电极阵列单极刺激配置下，利用改进的生物热传递方程计算多触点电刺激时视网膜的稳态温度场分布。采用参数扫描法分析刺激电极触点中心间距、触点面积(半径)、以及电极材料、刺激电极触点位置对温度场分布的影响。


研究结果：


1.三极刺激配置仿真结果。三极刺激配置刺激时，神经节细胞层上的激活区域集中于刺激电极组下方，未分散分布，越靠近刺激电极触点的地方越容易被激活。当刺激电极触点与回收电极触点面积相同，且刺激电极与回收电极触点中心间距保持一致时，正三角形刺激比平行刺激的激活面积要小。刺激电极与回收电极触点中心间距从520μm增加到1430μm时，各截面上激活面积比原来增大了8.4%-14.4%，电场聚焦性变差，激活区域扩大。刺激电极与回收电极触点中心间距不变，回收电极触点中心间距从2x520sin(15。)μm增加到2x520sin(45。)μm，各截面上激活面积比原来减小了17.2%-38.7%，电场聚焦性增强，激活区域减小。回收电极触点面积(半径)的增加时，电场聚焦性变好，神经节细胞层上对应于电极触点下方附近的激活区域变小。


2.单极刺激下温度场分布。16个电极触点同时刺激时，视网膜内稳态温度最大增加0.0039℃；采用四电极触点组刺激时，分散组温度增加值最小，中心组最大，二者相差约0.0005℃。阵列中刺激电极触点中心间距从390μm增加至780gm或触点半径从130μm增加到260μm，视网膜内温度增加值降低超过0.005℃；触点材料的改变对温度变化的影响很小可忽略。


研究结论：


1.两种三极刺激配置的仿真结果表明，当保持相同的刺激电极触点与回收电极触点中心间距以及电极触点面积的前提下，正三角形刺激比平行刺激的电场聚焦性要好，分辨率更高。


2.三极刺激配置结构简单，容易进行多种设计，可通过减小刺激电极触点与回收电极触点中心间距，适当增加回收电极触点中心间距与触点面积来提高电场聚焦性，减少激活区域，优化聚焦性刺激，提高空间分辨率。


3.温度场仿真结果表明，单极刺激配置下，4×4微电极阵列电刺激时，视网膜内温度增加值较小，温度增加较大的地方集中在刺激微电极阵列附近。视网膜内最大温度随着刺激电极触点中心间距或面积的增加而降低，但是间距值增加到触点直径值时温度增加开始变缓；不同电极材料之间的结果差别很小。合理设计刺激电极触点中心间距和面积可以减少电刺激时的温升。刺激触点数目变为4倍时，温度增大0.0017℃，未成倍增加，因此单极刺激配置下刺激电极触点数目可增加至上百个。