【摘要】：研究目的視覺假體是一種幫助失明患者重獲視覺的人工器官,其通過微電極陣列施加電刺激使視覺通路中視覺神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生興奮響應(yīng)。根據(jù)刺激電極作用的位置視覺假體有多種類型。電刺激作用在視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(RGC)上的視覺假體是視網(wǎng)膜上假體。視網(wǎng)膜上假體是目前研究和應(yīng)用較為廣泛的一種視覺假體,但其實(shí)驗(yàn)和臨床的效果仍不很理想。電刺激波形是影響實(shí)驗(yàn)臨床效果的眾多因素之一。傳統(tǒng)的刺激波形為雙相矩形脈沖,其參數(shù)包含陰極相刺激幅值、陰極相持續(xù)時(shí)間、陰極相與陽極相的幅值比和相間間隔。目前視網(wǎng)膜上假體中應(yīng)用的矩形脈沖的刺激參數(shù)較為不統(tǒng)一。除矩形脈沖,實(shí)際還存在多種電刺激波形,而那種刺激波形更適合應(yīng)用在視網(wǎng)膜上假體中仍未確定。為視網(wǎng)膜上假體尋找合適的脈沖參數(shù)和電刺激波形形狀是有待解決的重要問題之一。研究方法建立胞外刺激仿真模型來模擬視網(wǎng)膜上假體的電刺激。RGC細(xì)胞采用多房室模型模擬,其膜特性采用Fohlmeister-Colman-Miller(FCM)模型。理想點(diǎn)電極模擬胞外刺激電極,且放在RGC細(xì)胞胞體上。利用參數(shù)掃描法尋找雙相刺激脈沖的最優(yōu)參數(shù)值。根據(jù)文獻(xiàn)確立矩形脈沖參數(shù)及其優(yōu)化范圍:陰極相持續(xù)時(shí)間0.1ms到1ms,幅值比1到30,相間間隔0ms到5ms。僅改變陰極相的刺激幅值,能使RGC細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)作電位(AP)的最低陰極相刺激幅值稱為該矩形脈沖的刺激閾值。掃描矩形脈沖的刺激參數(shù)空間,尋找不同矩形脈沖的刺激閾值,計(jì)算閾值時(shí)的能量消耗和陰極相傳遞的電荷量;選擇閾值及閾值能量和閾值電荷最低時(shí)對應(yīng)的參數(shù)值為該矩形脈沖的最佳參數(shù)值。采用遺傳算法(GA)優(yōu)化視網(wǎng)膜上假體的刺激波形形狀。電刺激波形由刺激作用的陰極相和平衡電荷的陽極相組成。文中GA算法主要優(yōu)化固定持續(xù)時(shí)間的陰極相。為保證電荷平衡,刺激波形的陰極相后直接增加一個(gè)與陰極相持續(xù)時(shí)間和傳遞電荷量相等的陽極矩形脈沖。不同成本函數(shù)的GA算法可優(yōu)化出不同的刺激波形形狀。比較GA算法優(yōu)化的波形與其他刺激波形在使RGC細(xì)胞產(chǎn)生AP時(shí)的能量消耗和傳遞電荷量;比較的波形包括矩形脈沖,指數(shù)波,階梯波,線性波,三角波,正弦波,高斯波。研究結(jié)果胞外電刺激仿真模型能夠模擬電刺激RGC細(xì)胞的全過程。刺激脈沖達(dá)到閾值時(shí),RGC細(xì)胞能夠產(chǎn)生AP。AP產(chǎn)生期間,RGC細(xì)胞膜上離子通道的電流及其狀態(tài)變量隨著膜電壓的變化而變化。固定刺激脈沖的其他刺激參數(shù),掃描陰極相持續(xù)時(shí)間時(shí),在0.1ms陰極相持續(xù)時(shí)間時(shí)刺激閾值有最低值15.4μA,此時(shí)刺激能量也為最低值474.4p J。在陰極相持續(xù)時(shí)間1ms時(shí),陰極相傳遞電荷量有最低值11.49n C。固定其他刺激參數(shù),雙相矩形脈沖的陰極相與陽極相的幅值比變化至29或30時(shí),刺激閾值得到最低值28.7μA,刺激能量有最小值757.8p J,陰極相傳遞電荷量為最低值13.21n C。固定雙相矩形脈沖的其他刺激參數(shù)時(shí),在0.5ms到1.1ms相間間隔范圍內(nèi)刺激閾值得到最低值26.3μA,此時(shí)能量以及傳遞電荷量也為最小值,分別為636.4p J,12.10n C。同時(shí)優(yōu)化刺激脈沖的參數(shù)時(shí),刺激閾值最低值為13.7μA,此時(shí)陰極相持續(xù)時(shí)間為1ms,陰極相與陽極相的幅值比為30和相間間隔時(shí)間為0.8ms到5ms。在陰極相持續(xù)時(shí)間1ms,幅值比30和相間間隔5ms時(shí),閾值能量達(dá)到最低值188.5p J。閾值時(shí)陰極相傳遞電荷量的最低值(11.84n C)是在陰極相持續(xù)時(shí)間為0.1ms,陰極相與陽極相的幅值比為30和相間間隔為5ms時(shí)。隨著GA算法的進(jìn)展,刺激波形逐漸匯聚到一個(gè)能量消耗或傳遞電荷量最優(yōu)的形狀。GA能量波形是以能量消耗為成本函數(shù)的GA算法獲得的的刺激波形,其優(yōu)化一萬代后的形狀類似于截?cái)嗟钠迩�。同時(shí)考慮能量和電荷量的GA算法優(yōu)化一萬代后獲得的GA波形形狀類似于GA能量波形,但其刺激幅值更隨機(jī)。0.46ms陰極相持續(xù)時(shí)間的GA能量波形的能量消耗最低為760.8p J;其陰極相傳遞電荷量為13.04n C。0.46ms陰極相持續(xù)時(shí)間的GA波形的能量消耗和陰極相傳遞電荷量最低分別為766.8p J和12.55n C。相比其他刺激波形,GA能量波形引發(fā)AP時(shí)消耗的能量最低,其次為二段階梯波形。指數(shù)上升波形引發(fā)AP時(shí)的能量消耗和傳遞電荷量均最高。在0.46ms陰極相持續(xù)時(shí)間的刺激波形中,GA能量波形引發(fā)AP時(shí)能量消耗最多減少673.3p J,電荷量最多減少0.53n C,其相對減少率最高分別為87.03%和1.13%。GA波形引發(fā)AP時(shí)的能量消耗和電荷量最多減少667.3p J和9.01n C。研究結(jié)論雙相矩形脈沖的參數(shù)能夠影響到刺激閾值,閾值時(shí)能量消耗和陰極相傳遞電荷量。掃描刺激參數(shù)的動(dòng)態(tài)空間可搜索到視網(wǎng)膜上假體滿足閾值,閾值時(shí)能量和電荷量最低的矩形脈沖。陰極相持續(xù)時(shí)間越長,刺激閾值越低,能量消耗越小,而陰極相傳遞電荷量越多。增加陰極相與陽極相的幅值比時(shí),刺激閾值,能量和傳遞電荷量均先迅速升高后逐漸降低。隨著相間間隔的時(shí)間增加,刺激閾值、能量和傳遞電荷量先迅速下降后緩慢升高。沒有同時(shí)滿足刺激閾值,閾值時(shí)能量和傳遞電荷量最低的矩形脈沖參數(shù)組合。固定刺激持續(xù)時(shí)間時(shí),每次GA算法優(yōu)化的刺激波形逐代匯聚到一個(gè)類似的形狀。GA算法優(yōu)化的波形比其他刺激波形使RGC細(xì)胞產(chǎn)生AP時(shí)所需的能量和電荷量更低。能量消耗最低的是GA能量波形。同時(shí)考慮到能量消耗和傳遞電荷量時(shí),GA波形是最優(yōu)的。優(yōu)化的刺激脈沖或刺激波形形狀對視網(wǎng)膜上假體以及其他類型的視覺假體的研究和應(yīng)用有很大的幫助。若采用優(yōu)化的刺激脈沖參數(shù)或刺激波形形狀,視網(wǎng)膜上假體將有利于延長其使用壽命,從而降低成本。這些能夠?yàn)橐暰W(wǎng)膜上假體提供更高效的刺激方式。
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【學(xué)位授予單位】：天津醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：R318.18

【引證文獻(xiàn)】

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1 王丹;喬清理;解楠;;FCM模型膜興奮性的仿真[A];天津市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會第30次學(xué)術(shù)年會暨生物醫(yī)學(xué)工程前沿科學(xué)研討會論文集[C];2010年

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本文編號：2341017