Epiretinal protezlerin elektriksel uyartımının sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak 3 boyutlu analizi: Uyartım parametrelerine bağlı olarak retina dokusu üzerinde sıcaklık değişiminin incelenmesi
The three-dimensional analysis of epiretinal electrical stimulation using finite element method: Investigation of temperature change over the retina depending on stimulation parameters
Yazar: MAHMUT EMİN ÇELİK
Danışman: PROF. DR. İRFAN KARAGÖZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Biyomedikal mühendisliği = Biomedical engineering ; Biyomedikal uygulamalar = Biomedical applications ; Görme sistemi = Vision system ; Retina = Retina ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Uyarım = Stimulation

Özet:
Elektronik görsel protezlerin bir çeşidi olan epiretinal implant sistemleri, retina üzerine yerleştirilen elektrotlardan verilen elektriksel darbeler ile retina gangliyon hücrelerinin uyartılması sonucu tamamen görme engelli kişilerde ışık algısının tekrar kazandırılmasını sağlayan yüksek teknoloji ürünü sistemlerdir. Görsel protez sistemlerinde yüksek uzaysal-zamansal çözünürlüğün elde edilebilmesi için gereken elektrot sayısının artırılması konusunda çeşitli biyolojik ve teknik sorunlarla karşılaşılmaktadır. Retina dokusunun elektriksel uyartım tepkisini en iyi şekilde anlamak, analiz etmek ve hatta tahmin etmek bir sistemdeki performansın geliştirilmesi için kritik önem taşımaktadır. Bu kapsamda, retinanın elektriksel uyartıma verdiği tepkiyi aksiyon potansiyeli oluşumu açısından incelemek için farklı elektriksel dalga formları kullanılarak sinirsel aktivite analiz edilmiştir. Tavşan retinası kullanılarak gerçekleştirilen in-vitro deneyler neticesinde bifazik dalga formlarının daha düşük uyartım eşiği sağladığı, aynı zamanda aksiyon potansiyeli oluşumu açısından daha uygun olduğu görülmüştür. Ayrıca, sağlıklı bir gözdeki uyartım örüntülerini taklit ederek daha hassas sonuçlar elde edebilmek ve görsel algının geliştirilmesini sağlayacak uyartım örüntülerinin tasarlanabilmesi için izole edilen aksiyon potansiyelleri temporal olarak analiz edilmiş ve kısa darbe genişliğine sahip bifazik dalga formlarının daha keskin sonuçlar verdiği görülmüştür. Elektrot etkileşimini azaltmak suretiyle görsel çözünürlüğünün artırılması, aynı zamanda uyartım için gerekli güç tüketiminin ve uyartım sonucu dokuda oluşan sıcaklığın azaltılması amacıyla Sonlu Elemanlar Yöntemi kullanılarak retinanın elektriksel uyartımında Merkez-Ağırlıklı Zaman Kaymalı Uyartım Stratejisi önerilmiştir. Önerilen stratejinin performansı konvansiyonel elektrot dizilimi ve uyartım yöntemiyle karşılaştırılmış, daha lokalize uyartım sağlanarak ayırt edilebilir elektrik alan ve akım yoğunluğu dağılımları elde edilmiştir. Konvansiyonel yöntemle uyartım akım eşiği 10 µA seviyesinde iken önerilen stratejide bu değer 0.5-2 µA aralığında elde edilmiştir. Ayrıca, konvansiyonel yöntemle uyartım için harcanan güç 4.19 mW/mm3 ve dokudaki sıcaklık artışı 1.38°C iken sunulan yöntemle bu değerler sırayla 0.239 mW/mm3, 0.4°C olarak bulunmuştur. Önerilen stratejinin yüksek çözünürlüklü retina implant sisteminin geliştirilmesine, çözünürlük, güç tüketimi ve dokudaki sıcaklık artışının sınırlanması açısından önemli katkı sağlayacağı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Epiretinal implant systems, which is a kind of visual prostheses, are high tech devices that could regenerate visual sense for blind people by electrically stimulating retinal nerve cells using microelectrodes placed on the retina. There are certain biological and technical problems for increasing the number of stimulation electrodes required for the development of high spatio temporal resolution system. Understanding, analysing and predicting the neural activity could be critically important to improve the performance of the system. In this context, the neural activity is analysed using different stimulation waveforms to investigate retinal responses to electrical stimulation in terms of action potential generation. In vitro experiments with rabbit retina show that biphasic pulses elicit lower stimulation thresholds and is more efficient for action potential formation. Moreover, isolated action potentials are temporally analysed to mimic precise stimulation patterns similar to healthy eye and to design stimulation patterns that could improve visual sense, then it is seen that shorter biphasic pulses give more precise results. Central-Weighted Time Shifted Stimulation Strategy which aims both to increase spatial resolution and to decrease power dissipation needed for stimulation and temperature rise on the tissue is proposed using Finite Element Method. When the results are compared to the results with conventional electrode layout and stimulation approach, it is seen that the proposed strategy provides discriminable electric field and current density distributions. Further, the proposed strategy could elicit lower stimulation current threshold when it is compared with conventional method, 0.5-2 µA and 10 µA respectively. Also, power dissipation and temperature rise on the tissue are 4.19 mW/mm3 and 1.38°C respectively for conventional method, they are 0.239 mW/mm3 and 0.4°C for the proposed strategy. It is concluded that the proposed strategy makes a significant contribution to the studies on developing high resolution retinal implant systems in terms of resolution, power dissipation and limitation of temperature rise on the tissue.