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基于有限元的螺旋电极刺激视神经的电场特性分析

作　者: 郭红伟
导　师: 乔清理
学　校: 天津医科大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 视神经假体新型螺旋电极脑脊液层有限元方法选择性刺激激活函数
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

研究目的：视觉假体是一种旨在恢复部分或完全失明患者视觉功能的电子设备。电刺激视神经能够产生视觉感知。刺激电极几何形状对神经损伤和刺激选择性有很重要的影响。有限元方法是一种可用于求解复杂容积导体模型电场分布的数值方法。本论文应用有限元软件COMSOL Multiphysics设计出一种形状自适应的新型螺旋电极,其目的是使其尽可能减小神经损伤,实现选择刺激视神经纤维束,为神经电刺激提供计算支持。研究方法：1.应用有限元软件COMSOL Multiphysics建立视神经和螺旋袖套电极的几何模型：选用不同的电极刺激模式(单级、双极和三极)刺激视神经。应用有限元方法,选择合适的网格剖分和边界条件,通过计算电势、电场和电流密度分布来分析不同的电极刺激模式对刺激的影响。2.建立视神经容积导体模型,模型包含五个半径相同的纤维束。在三极刺激模式下,通过COMSOL Multiphysics计算不同神经纤维束处的电势和电流密度,并应用激活函数来分析电极——神经间距离对刺激的影响。3.研究视神经周围组织电特性对刺激效果的影响。选取不同厚度的脑脊液层(cerebrospinal fluid, CSF),通过参数扫描的方法分析CSF厚度变化对刺激效果的影响。4.设计出一种新型螺旋电极。它由起支撑和绝缘隔离作用的硅橡胶螺旋支架和嵌入支架内的铂金触点组成。引入激活函数来表征刺激效果,应用COMSOL Multiphysics仿真分析新型螺旋电极对视神经纤维选择性刺激的能力,并考虑电极触点位置的变化对选择性的影响。研究结果：1.单级模式下,沿着电极表面的电流密度分布是非均匀的。在电极和神经髓鞘接触处局部最大,远离电极迅速减小。仿真结果表明,双极刺激模式下,分别位于神经干对侧位置的两个电极间的电流存在一定的纵向分量有可能使神经干兴奋。同样刺激条件下,三极刺激模式的电流密度最大值、电场强度最大值都要比双极模式高。2.在三极螺旋触点电极刺激下,电极——神经距离对神经轴向的电势变化影响不明显。距离电极近的神经纤维束电流密度值大,激活函数幅度变化最明显。3.CSF厚度的增加对电势的影响不明显。应用参数扫描的方法仿真表明,由于脑脊液层的电导率比其他组织大,随着脑脊液层厚度增加,电极电场分布范围更大,但对电流的散射阻碍使神经刺激效果变差。4.假定激活函数的归一化阈值为0.1V/m2,新型螺旋电极激活函数大于阈值的比例比传统袖套电极大1.2410%。当新型螺旋电极两端的电极触点靠近中间触点时,可以优先激活细视神经纤维束,后激活粗纤维束。研究结论：1.电流密度最大值集中分布在电极——神经髓鞘接触处。双极刺激模式所需引线少,植入简单,易于临床应用。三级模式触点多,更有利于实现选择性刺激。根据结果需求选择最适宜的刺激模式,获得最佳刺激结果,从而为视神经假体的研究提供一定的帮助。2.通过分析不同纤维束的刺激结果,可以在一定程度上表明电极——神经间的距离关系对刺激的影响。仿真结果表明位于神经中心的纤维束激活函数值相对较小,最不容易兴奋。3.CSF层厚度变化对刺激结果的分析可以为临床中螺旋袖套电极植入视神经提供一定的计算支持。4.新型螺旋电极减小了电极与神经的接触面积,选择性比传统袖套电极好。改变新型螺旋电极的触点位置可以实现选择性激活视神经纤维束。

全文目录

中文摘要  4-6
Abstract  6-11
缩略语/符号说明  11-12
一、前言  12-19
  1.1 研究背景  12-16
    1.1.1 视神经假体的研究现状  13-14
    1.1.2 袖套电极研究现状  14-16
  1.2 研究目的  16
  1.3 研究内容  16-17
  1.4 论文的创新点  17
  1.5 论文的结构  17-19
二、原理和方法  19-31
  2.1 袖套电极植入视神经的位置选择  19-20
  2.2 胞外电刺激视神经的理论基础  20-23
    2.2.1 胞外电刺激理论  20-22
    2.2.2 选择性刺激  22-23
  2.3 建模与计算  23-31
    2.3.1 有限元方法  23-26
      2.3.1.1 有限元分析  23-25
      2.3.1.2 COMSOL Multiphysics  25-26
    2.3.2 几何建模  26-29
      2.3.2.1 视神经容积导体模型  26-28
      2.3.2.2 刺激电极几何建模  28-29
    2.3.3 参数设定  29-30
    2.3.4 网格剖分和求解  30-31
三、结果  31-43
  3.1 传统袖套电极刺激模式分析  31-34
    3.1.1 单电极刺激模式  31
    3.1.2 双极和三极刺激模式  31-34
  3.2 电极——神经距离关系对刺激的影响  34-36
  3.3 CSF层厚度变化分析对刺激效果的影响  36-38
  3.4 新型螺旋电极分析  38-43
    3.4.1 新型螺旋电极和传统袖套电极比较分析  38-39
    3.4.2 选择性分析  39-43
四、结论与讨论  43-47
  4.1 结论  43
  4.2 讨论  43-46
    4.2.1 视神经容积导体模型  43-44
    4.2.2 螺旋电极  44-45
    4.2.3 选择性  45-46
  4.3 论文进一步的工作  46-47
参考文献  47-52
发表论文和参加科研情况说明  52-53
综述  53-70
  综述参考文献  67-70
致谢  70

基于有限元的螺旋电极刺激视神经的电场特性分析

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