基于MEMS的人工视网膜微电极阵列设计仿真

　　1　引　　言

　　目前,全世界超过45 000 000人失明,光感受器退化导致视网膜退化疾病,如年龄相关性黄斑病变、视网膜色素变性是成年人致盲的主要原因。临床研究资料表明:尽管在黄斑部感受器近乎于完全丧失的情况下,在患有RP和AMD的病患群中,黄斑内核及活动层的细胞依然保持较高的生存率[1-2]。人工视网膜就是这样的一个系统,由植入视觉假体产生电信号,刺激并激活视觉系统,从而使失明或濒临失明的患者恢复部分视力。国内外的临床研究也证实了这一想法的可行性。人工视网膜根据其需要实现的功能与植入的部位可以分为两类:表层型人工视网膜与外层型人工视网膜。

　　表面型人工视网膜大致由眼外图像采集处理单元(微型图像传感器、图像处理芯片)和眼内微刺激电极阵列组成,两部分间用导线传输电刺激信号,也有研究人员进行无线传输实验[3]。表面型人工视网膜作用机制为:外部图像采集装置采集图像,经信号处理单元转化为电子信号,电子信号传送到眼内的微刺激电极;微电极直接刺激与之邻近的神经节细胞及轴突,再经由视神经投射到大脑视皮层,使患者得以感知外界图像信息。

　　眼部生理结构的限制,要求植入的人工视网膜微电极阵列尺度小,面积在毫米级,厚度多为几十微米。在微电极阵列发生轻微的形变或者位移时,其锐利的边缘可能会像刀刃一样切断周围组织,进而对人体眼部正常组织产生较大的伤害。韩国Jong-Mo Seo[4-6]等人在实验研究中发现,使用钛制视网膜针对表层型人工视网膜微电极阵列进行固定,几个星期后,会在眼球的压力以及钛制视网膜针的作用下产生较大的形变,引起表层型视网膜的扭曲。可以想见,视网膜产生形变必然引起微电极位置发生改变,因而外部施加的刺激电信号不能为盲人提供正确的信息。

　　目前,还未见眼睛压力对人工视网膜形变影响的研究。本文以表面型人工视网膜为研究对象,利用有限元计算方法,进行力载荷作用下表面型人工视网膜微电极阵列位移仿真测试。

　　2　人工视网膜设计

　　进行计算机仿真前要求首先建立起研究对象的计算机模型。实验中利用Conventor-ware软件建立了计算机模型。

　　微电极阵列材料的选择原则是材料必须具备较好生物相容性。选用的基底材料为聚酰亚胺薄膜,在目前表层型人工视网膜微电极阵列材料生物相容性测试中,这一材料表现优秀;同时,它价格便宜,易于加工成型,在人工器官中使用广泛。导线材料选用TiN,电极材料选用钛[7-8];这两种材料的导电率高,在生物环境下耐腐蚀性强,生物相容性表现良好。整个微电极阵列的构造及材料见图1。