基于comsol的仿真实验

一、实验目的

熟悉掌握COMSOL Multiphysics软件，通过3D有限元建模方法，建立铂电极-玻璃体-视网膜的分层电刺激模型。深入研究电极如何影响电刺激效果，系统的分析了电极尺寸、电极到视网膜表面的距离等参数对视网膜电刺激的影响，为视网膜视觉假体刺激电极的刺激效果提供指导意义，进一步优化电刺激效果，达到提高人工视觉的修复效果。

二、实验仪器设备

计算机，COMSOL Multiphysics软件

三、实验原理

影响视网膜电刺激效果的因素有许多：电极尺寸、电极距视网膜距离、电极形状、电极排列等，这里主要从电极尺寸，电极距视网膜距离来探讨。视网膜电刺激模型通过参考视网膜解剖结构构建，电刺激的有效响应区域取决于神经节细胞层（GCL）电场强度是否大于1000V/m，当大于该值时认为该区域神经节细胞能够兴奋，进而指导电极尺寸、电极距视网膜距离的参数。

四、实验内容

根据视网膜的解剖结构来构建相应的视网膜分层模型，模型总共分为8层：玻璃体层，神经节细胞层，内网状层，内核层，外网状层，外核层，视网膜下区域，色素上皮层，脉络膜及巩膜。根据视网膜各层的导电特性来设定相应的导电率，模型构建，设置边界条件。在电极处施加相应电流刺激，规定神经节细胞层（GCL）电场强度（>1000V/m）时认为能够引起视神经细胞兴奋，在确定的电流强度下，神经节细胞层（GCL）层电场强度大于1000V/m的区域认为有效响应区域，进而判断电极刺激的有效响应区域，指导电极尺寸r和电极距视网膜距离h等参数设置。其具体实验步骤如下所示：

1、根据视网膜的解剖特性构建视网膜分层模型。模型在三维模式下电磁场子目录下的传导介质DC场下建立。进入建模窗口后，在绘图栏下设置模型为圆柱体，输入各部分的长宽高数值，轴基准点为圆柱体的圆心坐标。模型分为9层（11个求解域），其示图如下：

图1 视网膜分层模型

2、模型建好后，在菜单栏下的物理量里面选择求解域设定，对示图的11个求解域进行设定传导率，如图2所示，其中每一层的电

导率情况参考于视网膜导电特性。

图2 求解域参数设置

3、边界设定。在求解域设置好后，同样在在物理量目录下的边

界设定里面对模型边界进行设置。模型中除了地面接地，其他各外表

面设置为电流流向，初始值为0。内部表面除了电极内表面视之为电

流源输入，其他各内表面设置为连续边界。

4、在完成上述步骤，设置电流源电流输入大小值。然后对模型

进行网格化，如下图所示。最后在菜单栏里的求解里选择进行求解，

对模型求解，之后利用菜单栏里的后处理里的功能对模型进行求解后

续美化处理，完成实验，如图3所示。

图3 模型网格化图和求解结果图

五、实验数据

在仿真实验中，做了6组仿真模型，分别在电极距视网膜距离处于h=50um，h=150um，所用电极半径r为25um~150um，恒定刺激电流为50uA（电流密度不同）情况下，得到如下图所示结果：

图4 电极到视网膜距离h=50um 电极半径r=25um时电刺激分布图

图5 电极到视网膜距离h=50um 电极半径r=75um时电刺激分布图

图6 电极到视网膜距离h=50um 电极半径r=150um时电刺激分布图

图7 电极到视网膜距离h=150um 电极半径r=25um时电刺激分布图

图8 电极到视网膜距离h=150um 电极半径r=50um时电刺激分布图

图9 电极到视网膜距离h=150um 电极半径r=100um时电刺激分布图

六、数据处理及结果分析

上述仿真主要研究了在相同电流强度刺激下不同电极尺寸和电极距离视网膜距离对视网膜视神经节细胞层（GCL）有效相应区域的影响。理论上，小的电极尺寸容易在阵列上实现单位面积下的高密度排布，满足视网膜上电刺激产生高分辨率的视觉要求。实际上，由上述结果知道，在恒定电流刺激下（50uA，在该电流刺激下能够保证GCL层细胞能产生动作电位），电极距视网膜距离50um时，随着电极尺寸的增大，有效响应区域变化并不大且它们的响应范围都比较大，这种情况可能会干扰到附近阵列其他电极的响应；在电极据视网膜距离100um时，随着电极尺寸增大，有效响应区域开始减小，其空间分辨率相对较好。分析其原因是可能是相同电流强度下，电极尺寸越小

电荷密度越大，其电场强度就越大从而影响响应区域，而在大尺寸电极时，电荷密度较小，相应区域就相对较小。故在电极距视网膜距离较大时，点击尺寸越大，其空间分辨率反而越高。

七、实验小结

本实验通过学习Comsol Multiphysics软件相关知识和阅读视网膜电刺激模型建模的相关文献，运用Comsol Multiphysics软件实现了对视网膜电刺激3D模型的建立，并分析其结果。分析结果表明：在所有电极采同样大小电流刺激下，选用大尺寸电极、电极距视网膜距离相对较大的较高阵列密度排列刺激时，所诱发的细胞的响应区域较小，可能在一定程度上提高空间分辨率。通过本实验，进一步熟悉了Comsol Multiphysics软件的使用和操作，将理论与实际结合起来，深化了对神经电刺激模型的理解，这将有助于今后课题的研究。