基于仿真模型的不同三维电极在视网膜上电刺激的研究

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视网膜上假体在恢复视网膜色素变性和老年黄斑变性致盲的患者视力上取得了重大进展,是当今视觉修复领域的热门研究方向之一。电极刺激视网膜神经节细胞的有效性对视网膜上假体的性能起着至关重要的作用。本研究通过计算机建模仿真计算,探索不同三维形状电极对视网膜神经节细胞进行电刺激的效果。首先基于多物理场建模与仿真系统(COMSOL)建立了视网膜与多种形状电极(平面、锥面、球面)的三维模型,仿真计算出不同电极电刺激视网膜形成的空间电场和电势分布。然后,基于NEURON神经元计算仿真软件,建立了包含高浓度钠离子通道带的视网膜神经节细胞电刺激模型。最后,将空间电势引入视网膜神经节细胞电刺激模型中。通过观察不同电极刺激引起的神经节细胞兴奋的情况,研究电极和视网膜间距离,电极尺寸和电极几何形状等因素对神经节细胞兴奋的影响。仿真模拟和分析研究表明,当电极视网膜间距离较小时,引起视网膜神经节细胞的阈值电流较小。相比而言,直径较小的电极的阈值电流较低,但是其需要的阈值电荷密度比较高,在因此在电极安全性上存在着一定的隐患。视网膜神经节细胞对非平面电极的电刺激响应与其对平面电极的响应有所不同,其中,凹型球面电极在电刺激安全性和选择性上都优于其他形状的电极,有望成为未来视网膜上假体电极设计可行的发展方向。本文的研究结果对未来视网膜上假体的电极制作奠定了良好的研究基础,对刺激电极性能的优化与设计提供了重要的理论依据。
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