【摘要】：研究目的：視網膜前假體通過微電極陣列電刺激視網膜神經節細胞，幫助盲人恢復視力。電刺激時刺激配置方式(刺激電極與回收電極觸點組成的方式)的選擇對空間分辨率有重要影響；另外，長期電刺激視網膜會產生焦耳熱，使視網膜溫度增加，可能會造成視網膜的熱損傷。為了改進刺激配置，提高空間分辨率，本文運用有限元方法分析回收電極觸點的幾何因素對神經節細胞層激活區域的影響；同時為了防止視網膜熱損傷，保證電刺激的安全性本文分析了微電極陣列電刺激視網膜導致的視網膜內穩態溫度場分布及陣列參數對溫度的影響。

研究方法：

1.微電極陣列電刺激視網膜的三維模型構建。利用有限元軟件COMSOL Multiphysics建立微電極陣列電刺激視網膜的三維模型。模型包括玻璃體、視網膜、脈絡膜、鞏膜和微電極陣列(刺激電極與回收電極觸點)。

2.回收電極觸點幾何因素對激活區域影響的仿真。一個刺激電極觸點，兩個回收電極觸點構成三極刺激配置。三極刺激配置研究中對視網膜進行分層建模。根據回收電極觸點與刺激電極觸點的空間排布，分為正三角形和平行三極刺激。利用COMSOL Multiphysics計算不同刺激電極與回收電極觸點中心間距、回收電極觸點中心間距、回收電極觸點面積(半徑)下神經節細胞層的電場分布。通過計算神經節細胞層橫截面的激活面積來反應電場聚焦性好壞。

3.微電極陣列電刺激視網膜溫度場的研究。4×4微電極陣列單極刺激配置下，利用改進的生物熱傳遞方程計算多觸點電刺激時視網膜的穩態溫度場分布。采用參數掃描法分析刺激電極觸點中心間距、觸點面積(半徑)、以及電極材料、刺激電極觸點位置對溫度場分布的影響。

研究結果：

1.三極刺激配置仿真結果。三極刺激配置刺激時，神經節細胞層上的激活區域集中于刺激電極組下方，未分散分布，越靠近刺激電極觸點的地方越容易被激活。當刺激電極觸點與回收電極觸點面積相同，且刺激電極與回收電極觸點中心間距保持一致時，正三角形刺激比平行刺激的激活面積要小。刺激電極與回收電極觸點中心間距從520μm增加到1430μm時，各截面上激活面積比原來增大了8.4%-14.4%，電場聚焦性變差，激活區域擴大。刺激電極與回收電極觸點中心間距不變，回收電極觸點中心間距從2x520sin(15。)μm增加到2x520sin(45。)μm，各截面上激活面積比原來減小了17.2%-38.7%，電場聚焦性增強，激活區域減小。回收電極觸點面積(半徑)的增加時，電場聚焦性變好，神經節細胞層上對應于電極觸點下方附近的激活區域變小。

2.單極刺激下溫度場分布。16個電極觸點同時刺激時，視網膜內穩態溫度最大增加0.0039℃；采用四電極觸點組刺激時，分散組溫度增加值最小，中心組最大，二者相差約0.0005℃。陣列中刺激電極觸點中心間距從390μm增加至780gm或觸點半徑從130μm增加到260μm，視網膜內溫度增加值降低超過0.005℃；觸點材料的改變對溫度變化的影響很小可忽略。

研究結論：

1.兩種三極刺激配置的仿真結果表明，當保持相同的刺激電極觸點與回收電極觸點中心間距以及電極觸點面積的前提下，正三角形刺激比平行刺激的電場聚焦性要好，分辨率更高。

2.三極刺激配置結構簡單，容易進行多種設計，可通過減小刺激電極觸點與回收電極觸點中心間距，適當增加回收電極觸點中心間距與觸點面積來提高電場聚焦性，減少激活區域，優化聚焦性刺激，提高空間分辨率。

3.溫度場仿真結果表明，單極刺激配置下，4×4微電極陣列電刺激時，視網膜內溫度增加值較小，溫度增加較大的地方集中在刺激微電極陣列附近。視網膜內最大溫度隨著刺激電極觸點中心間距或面積的增加而降低，但是間距值增加到觸點直徑值時溫度增加開始變緩；不同電極材料之間的結果差別很小。合理設計刺激電極觸點中心間距和面積可以減少電刺激時的溫升。刺激觸點數目變為4倍時，溫度增大0.0017℃，未成倍增加，因此單極刺激配置下刺激電極觸點數目可增加至上百個。