視覺假體電刺激波形的改進(jìn)研究.pdf

1、研究目的：
　　視覺假體是對盲人視覺通路上某個神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)施加人工電刺激，使其產(chǎn)生興奮，在皮層產(chǎn)生視覺感知的植入式醫(yī)用電子設(shè)備。視覺假體的目的是使那些由于疾病或外傷導(dǎo)致失明的患者通過人工的方法產(chǎn)生視覺感知，輔助他們完成一些活動，如閱讀文本，識別物體或應(yīng)對陌生環(huán)境等。
　　視覺假體研究的主要內(nèi)容之一是提高神經(jīng)刺激的有效性。電刺激脈沖波形的形狀（包括幅度、頻率、脈寬等）和電極幾何結(jié)構(gòu)是影響有效神經(jīng)刺激的重要因素。脈沖波形的形狀直

2、接影響電刺激時的組織損傷、電極腐蝕和電荷損失等，因此選擇合適的脈沖波形對有效降低電刺激時引起的負(fù)作用至關(guān)重要。鑒于矩形雙相脈沖波形相比于其他脈沖波形（線性波，正弦波，指數(shù)波等）在視覺假體電刺激中使用較為普遍，本文選擇相對較成熟的矩形雙相波形來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，來獲得更理想的刺激效果。
　　研究內(nèi)容：
　　1、視覺假體電刺激仿真。用MATLAB平臺下的Simulink仿真電極刺激生理組織的過程，電極——組織界面使用Randles電

3、極——電解液界面等效電路模型，輸入波形使用優(yōu)化的矩形波，觀察峰值電壓、功率和能量等結(jié)果。
　　2、矩形雙相波的優(yōu)化設(shè)計。利用控制系統(tǒng)理論中零階保持器的特性，在波形輸入裝置后加入零階保持器，使得通常恒定電流刺激相由定期采樣的階梯形波取代，以此作為優(yōu)化的矩形波。改變零階保持器的參數(shù)可使優(yōu)化波形的幅度和時間發(fā)生變化，使之成為二階、三階等階梯形波。
　　3、視覺假體電刺激優(yōu)化電流波形的刺激效果。電極——電解液界面等效電路的輸入電流脈

4、沖波形為優(yōu)化的階梯形波，計算優(yōu)化電流波形輸入等效電路后的峰值電壓、功率和能量;與原始矩形波的刺激效果進(jìn)行對比，分析比較優(yōu)化波形相對于傳統(tǒng)矩形波的特點(diǎn)。
　　研究結(jié)果：
　　1、視覺假體電刺激矩形波經(jīng)優(yōu)化后成為階梯形波。改變參數(shù)可使優(yōu)化波形成為二階、三階等多階階梯形波。優(yōu)化的二階階梯形波輸入時，輸出電壓峰值減少了11.05％;五階階梯形波時其峰值電壓下降達(dá)到了11.89％。
　　2、在峰值電壓減少的同時，等效電路模型中的

5、平均功率和瞬時功率也發(fā)生了變化。五階階梯形波的平均功率減少率最大，為10.13％。二階、三階等多階階梯形波的瞬時功率增大較為明顯，但五階階梯形波的最大瞬時功率增大只有7.75％，相比于其他階梯形波較為理想。
　　3、系統(tǒng)的能量消耗隨著電極峰值電壓的減少也出現(xiàn)了降低，而且階梯形波的階數(shù)越多，其能量消耗減少越大，在階數(shù)趨近于無窮大時能量消耗減少了11.79％，而五階階梯形波的能量消耗減少了5.96％。
　　研究結(jié)論:
　　

6、1、矩形波優(yōu)化為階梯形波后，具有明顯的降低峰值電壓的效果。五階階梯形波減少峰值電壓達(dá)到最大。優(yōu)化波形達(dá)到了降低電路電壓減少組織損傷的目的。
　　2、功率和電路耗能同時是優(yōu)化波形的衡量標(biāo)準(zhǔn)。五階階梯形波的瞬時功率的功率增大率最小，平均功率的減少率最大。系統(tǒng)耗能隨著階數(shù)的增大而逐漸減小，在階數(shù)趨近于無窮時達(dá)到最大。
　　3五階階梯形波雖然沒有達(dá)到能耗減少最大，但是卻能夠使峰值電壓減少最大，平均功率減少最大，瞬時功率增大最小，因此