視網(wǎng)膜上假體的電刺激脈沖及其波形的優(yōu)化.pdf

1、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

2、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。
　　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

3、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

4、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

5、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。
　　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474.4pJ。在陰極相持續(xù)時(shí)間

6、1ms時(shí)，陰極相傳遞電荷量有最低值11.49nC。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757.8pJ，陰極相傳遞電荷量為最低值13.21nC。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636.4pJ，12.10nC。
　　同時(shí)優(yōu)化刺激脈沖的參數(shù)時(shí)

7、，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188.5pJ。閾值時(shí)陰極相傳遞電荷量的最低值(11.84nC)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

8、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760.8pJ；其陰極相傳遞電荷量為13.04nC。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766.8pJ和12.55nC。
　　相比其他刺激波形，GA

9、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673.3pJ，電荷量最多減少0.53nC，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667.3pJ和9.01nC。
　　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

10、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)