基于有限元的螺旋電極刺激視神經(jīng)的電場特性分析.pdf

1、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，實現(xiàn)選擇刺激視神經(jīng)纖維束，為神經(jīng)電刺激提供計算支持。
　　研究方法：
　　

2、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計算不同神經(jīng)纖維束處的電勢和電流密度，并應(yīng)用激活

3、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)的鉑金觸點組成。引入激活函數(shù)來表征刺激效果，應(yīng)用COMSOLMultiphysics仿真分析新型螺旋電極對視神經(jīng)纖維選擇

4、性刺激的能力，并考慮電極觸點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、電場強度最大值都要比雙極模式高。
　　2.在三極螺旋觸點電極刺激下，電極--神經(jīng)距離對神

5、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％。當新型螺旋電極兩端的電極觸點靠近

6、中間觸點時，可以優(yōu)先激活細視神經(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。三級模式觸點多，更有利于實現(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