基于comsol的仿真實(shí)驗(yàn)

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1、一、實(shí)驗(yàn)0的熟悉掌握COMSOLMultiphysics軟件，通過3D有限元建模方法，建立鉑電極-玻璃體-視網(wǎng)膜的分層電刺激模型。深入研究電極如何影響電刺激效果，系統(tǒng)的分析了電極尺T、電極到視網(wǎng)膜表面的距離等參數(shù)對視網(wǎng)膜電刺激的影響，為視網(wǎng)膜視覺假體刺激電極的刺激效果提供指導(dǎo)意義，進(jìn)一步優(yōu)化電刺激效果，達(dá)到提高人工視覺的修復(fù)效果。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備計(jì)算機(jī)，COMSOLMultiphysics軟件三、實(shí)驗(yàn)原理影響視網(wǎng)膜電刺激效果的因素有許多：電極尺寸、電極距視網(wǎng)膜距離、電極形狀、電極排列等，這里主要從

2、電極尺寸，電極距視網(wǎng)膜距離來探討。視網(wǎng)膜電刺激模型通過參考視網(wǎng)膜解剖結(jié)構(gòu)構(gòu)建，電刺激的有效響應(yīng)區(qū)域取決于神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層（GCL）電場強(qiáng)度是否大于1000V/m,當(dāng)大于該值時(shí)認(rèn)為該區(qū)域神經(jīng)節(jié)細(xì)胞能夠興奮，進(jìn)而指導(dǎo)電極尺寸、電極距視網(wǎng)膜距離的參數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)視網(wǎng)膜的解剖結(jié)構(gòu)來構(gòu)建相應(yīng)的視網(wǎng)膜分層模型，模型總共分為8層：玻璃體層，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層，內(nèi)網(wǎng)狀層，內(nèi)核層，外網(wǎng)狀層，外核層，視網(wǎng)膜卞區(qū)域，色素上皮層，脈絡(luò)膜及鞏膜。根據(jù)視網(wǎng)膜各層的導(dǎo)電特性來設(shè)定相應(yīng)的導(dǎo)電率，模型構(gòu)建，設(shè)置邊界條件。在電極處施加相應(yīng)

3、電流刺激，規(guī)定神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層（GCL）電場強(qiáng)度（〉1000V/m）時(shí)認(rèn)為能夠引起視神經(jīng)細(xì)胞興奮，在確定的電流強(qiáng)度下，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層（GCL）層電場強(qiáng)度大于1000V/m的區(qū)域認(rèn)為有效響應(yīng)區(qū)域，進(jìn)而判斷電極刺激的有效響應(yīng)區(qū)域，指導(dǎo)電極尺寸I、和電極距視網(wǎng)膜距離h等參數(shù)設(shè)置。其具體實(shí)驗(yàn)步驟如1所示：1、根據(jù)視網(wǎng)膜的解剖特性構(gòu)建視網(wǎng)膜分層模型。模型在三維模式下電磁場子目錄下的傳導(dǎo)介質(zhì)DC場下建立。進(jìn)入建模窗口后，在繪圖欄下設(shè)置模型為圓柱體，輸入各部分的長寬高數(shù)值，軸基準(zhǔn)點(diǎn)為I員I柱體的闕心坐標(biāo)。模型分為9層（

4、11個(gè)求解域），其示圖如下：圖1視網(wǎng)膜分展模型2、模型建好后，在菜單欄下的物理量里面選擇求解域設(shè)定，對示圖的11個(gè)求解域進(jìn)行設(shè)定傳導(dǎo)率，如圖2所示，其中每一層的電導(dǎo)率情況參考于視網(wǎng)膜導(dǎo)電特性。求??鈐鉬方?式-▽(C7V-J*)物理s初抬中元利料旺性與涵軔糾資料E財(cái)律求解域設(shè)走-傳導(dǎo)介質(zhì)DC(dc)求解埼迭擇tT組□fl體送輕wa動(dòng)本wr去達(dá)式0Q)°傳導(dǎo)s關(guān)系傳導(dǎo)$0.0124v導(dǎo)入.中fe?述V-2外漆電滾密度V-3電蘢毋取涌應(yīng)用?助s/?導(dǎo)電軍確定U圖2求解域參數(shù)設(shè)置3、邊界設(shè)定。在求解域設(shè)置

5、好后，同樣在在物理量目錄下的邊界設(shè)定里面對模型邊界進(jìn)行設(shè)置。模型中除了地面接地，其他各外表面設(shè)置為電流流向，初始值為0。內(nèi)部表面除了電極內(nèi)表面視之為電流源輸入，其他各內(nèi)表面設(shè)置為連續(xù)邊界。4、在完成上述步驟，設(shè)置電流源電流輸入大小值。然后對模型進(jìn)行網(wǎng)格化，如下圖所示。最后在菜單欄里的求解里選擇進(jìn)行求解，對模型求解，之后利用菜單欄里的后處理里的功能對模型進(jìn)行求解后續(xù)美化處理，完成實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。圖3模型網(wǎng)格化圖和求解結(jié)果圖在仿真實(shí)驗(yàn)中，做了6組仿真模型，分別在電極距視網(wǎng)膜距離處于h=50um,h=1

6、50um,所用電極半徑r為25um?150um，恒定刺激電流為50uA(電流密度不同)情況下，得到如下圖所示結(jié)果：蒔大佰：5000^■5000■4500?4000——3500——3000r-2500^^2000^^1500■1000蒔小佰：1000圖4電極到視網(wǎng)膜距離h=5()Um電極半徑r=25um時(shí)電刺激分布圖最大佰：5000^■50004500■■4000350030002500200015001000最小佰:1000圖5也極到視網(wǎng)膜距離h=50um電極半徑r=75um時(shí)電刺激分布圖切面：電場

7、，襖[V/m]-0.5最大伍：5000n500045004000——3500?-30002500U200015001000最小值:1000圖6電極到視網(wǎng)膜距離h=50um電極半徑r=150um時(shí)電刺激分布圖最大值：1250^■125012001150110010501000最小值:1000圖7電極到視網(wǎng)膜距離h=150um電極半徑r=25um時(shí)電刺激分布圖5■丨■=JnU切面：電場，模[v/m]最大倚:125012001150110010501000最小值:閣8電極到視網(wǎng)膜距離h=150um電極半徑

8、r=50um時(shí)電刺激分布閣12501000切面：電場，橫[v/m]莰大佰：1250125012001150110010501000最小值:1000圖9電極到視網(wǎng)膜距離h=150um電極半徑r=100um時(shí)電刺激分布圖六、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析上述仿真主要研究了在相同電流強(qiáng)度刺激下不同電極尺寸和電極距離視網(wǎng)膜距離對視網(wǎng)膜視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層（GCL）有效相應(yīng)區(qū)域的影響。理論上，小的電極尺、r容易在陣列上實(shí)現(xiàn)單位面積不的高密度排布，滿足視網(wǎng)膜上電刺激產(chǎn)生高分辨率的視覺要求。實(shí)際上，