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Oozeer视神经纤维模型的特性分析及其胞外电刺激下的响应

作　者: 罗芳
导　师: 乔清理
学　校: 天津医科大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 视神经假体 Oozeer视神经纤维模型刺激阂值激活函数相图法强度-时间曲线
分类号: R318.0
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

研究目的：电极刺激视神经是用于恢复盲人视觉的一种实现方式。利用这种方式形成的视觉假体称为视神经假体。为了了解电极刺激视神经的作用机制,设计视神经假体和指导视神经假体临床应用,Oozeer等人根据文献中视神经生理参数提出了一种视神经模型来模拟哺乳动物视神经动作电位变化,称为Oozeer视神经纤维模型。本文以MATLAB为平台,研究了Oozeer视神经纤维模型在不同刺激下视神经纤维离子通道特性和膜特性,和在圆柱形视神经容积导体模型内刺激参数对Oozeer视神经纤维模型响应的影响,为视神经假体的设计和临床应用提供一种计算支持。研究方法：1.基于Oozeer视神经纤维模型的离子通道特性分析(1)膜离子通道特性分析。分析模型在外加刺激下的动作电位响应,分析模型被激活时膜离子通道随时间响应。(2)相平面分析。使用相图法探讨视神经纤维动作电位变化规律,观察整个动作电位阶段的动态变化。(3)强度—时间曲线的研究。分析整个模型在胞外电刺激下的电流-时间关系。2.胞外电刺激下视神经纤维模型的响应的仿真(1)建立一个视神经导体模型,计算出在刺入式电极刺激下,视神经内各处电势分布,利用建立的视神经纤维模型计算不同深度纤维的刺激阈值,分析Oozeer视神经纤维模型在视神经导体内的响应。(2)用激活函数和组织激活区来表征外加刺激的作用于视神经的效果。(3)分析纤维的直径对刺激效果的影响。(4)分析刺激脉冲参数对刺激效果的影响。研究结果：1.刺激下视神经纤离子通道特性(1)四种离子通道：速钠离子(INa)、快速钾离子(IK)、慢钾离子(Is)和持续钠离子(Ip)在动作电位的形成过程中作用阶段和大小各不相同,对动作电位的形成所起作用不也同。(2)相图法分析动作电位的动态变化可知,不同强度阈上刺激,视神经纤维上产生的动作电位发放时间不同,动作电位能沿轴突无衰减传播,单个动作电位持续时间无明显变化。(3)由模型强度-时间曲线可知,当时间t足够大时,激活纤维所需电流强度不再改变,脉冲持续时间短于时值时斜率渐渐接近1/τ,与动物实验中所测量得到强度-时间关系一致。Oozeer视神经纤维模型稳定,能够正确反映胞外电刺激视神经纤维的电流-时间关系。2.胞外电刺激对视神经纤维作用效应(1)激活距离电极0.2mm处纤维,刺入式电极刺激阈值为14gA,比袖套电极激活同一距离纤维阈值要小得多。处于容积导体内部视的神经纤维,电极-纤维距离由0.2mm逐步增加到1.5mm过程中,纤维刺激阈值由14μA增加至0260μA。(2)纤维直径由1μm逐步增加到6μm,深度为0.5mm处纤维刺激阈值由36μA减小至24μA,；深度为1mm纤维刺激阈值由104gA减小至52μA。直径由1μm增加到2μm时,刺激阈值减小程度最大。(3)将单相矩形波脉宽从0.1ms逐步增加到1.0ms,深度为0.5mm纤维刺激阈值由45gA减小至34gA；深度为1.0mm纤维刺激阈值由166gA减小至104A。0.1ms增加到0.2ms时,刺激阈值的减小程度最大结论：1.仿真结果表明,所建立的视神经纤维模型能正确反映视神经纤维被胞外刺激激活的动作电位特性,在动作电位的过程中各个离子通道作用时间不同,对动作电位形成的影响也不同。2.相平面分析表明,阈上不同强度的刺激电流刺激下,Oozeer视神经纤维模型放电时间不同,动作电位在各个阶段的变化速度不同。3.Oozeer视神经纤维模型的强度-时间曲线表明,胞外刺激下模型的强度-时间曲线与胞内刺激不同,Oozeer视神经纤维模型的电流-时间关系与实验所得的结论一致。4.容积导体内纤维能被刺入式电极施加的电流刺激成功激活,并比袖套电极有更小的激活阈值。容积导体内不同位置上的视神经纤维具有不同的刺激阈值,距离电极越远的电极刺激阈值越大。5.不同直径的纤维具有不同的刺激阈值,纤维直径越大,视神经纤维刺激阈值越小6.改变刺激脉冲的脉宽和强度能产生不同的激活效应。纤维的位置、直径、刺激脉冲的宽度和强度等,可以成为实现视神经选择性激活重要参考量。所得结论对以后视神经选择性刺激实验以及基于视神经刺激的视觉假体的研究具有一定的指导意义。

全文目录

中文摘要  4-7
Abstract  7-12
缩略语/符号说明  12-13
一、前言  13-17
  1.1 研究背景  13
  1.2 电刺激视神经和视神经建模国内外现状和存在问题  13-16
    1.2.1 电刺激视神经  13-15
    1.2.2 视神经建模国内外现状和存在问题  15-16
  1.3 课题的研究目的和内容  16-17
二、理论与方法  17-28
  2.1 视觉通路及视神经  17-18
  2.2 Oozeer视神经纤维模型  18-20
  2.3 Oozzer视神经纤维模型离子通道  20-22
  2.4 视神经纤维的胞外电刺激  22-23
  2.5 视神经容积导体模型  23-24
  2.6 视神经内电势分布计算  24-26
  2.7 相平面法  26
  2.8 激活函数  26-27
  2.9 仿真过程  27-28
三、结果  28-39
  3.1 Oozeer视神经模型的膜动力学分析与仿真  28-34
    3.1.1 各离子通道电流和动作电位  28-29
    3.1.2 相图法分析Oozeer视神经纤维模型动作电位  29-32
    3.1.3 Oozeer视神经纤维模型的强度-时间曲线  32-34
  3.2 视神经纤维在胞外刺激下响应特性  34-39
    3.2.1 视神经内刺入式点电极电势分布  34
    3.2.2 纤维深度对刺激阈值影响  34-35
    3.2.3 纤维直径对刺激效果影响  35-36
    3.2.4 激活函数分析刺激效果  36-37
    3.2.5 脉宽对刺激效果影响  37-39
四、结论与讨论  39-41
  4.1 结论  39
  4.2 讨论  39-40
  4.3 展望  40-41
附录  41-42
参考文献  42-46
发表论文  46-47
综述  47-68
  综述参考文献  63-68
致谢  68

Oozeer视神经纤维模型的特性分析及其胞外电刺激下的响应

内容摘要

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