Theorie, Simulation und mikroelektronische Realisierungen zur selektiven Nervenzellstimulation für Retina-Implantate:
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
2002
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Fortschrittberichte VDI
Reihe 17, Biotechnik ; 222 |
| Schlagworte: | |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Aufbau der Arbeit 3
1.2 Neuroprothesen 4
1.2.1 Retina Implantate 4
1.2.2 Cortex Implantate 6
1.2.3 Cochlea Implantate 7
1.3 Physiologie der Retina 8
1.3.1 Aufbau der menschlichen Retina 8
1.3.2 Retinopathia pigmentosa 12
1.4 Selektivität 15
2 Simulation des Stimulationsvorgangs 18
2.1 Überblick 18
2.1.1 Motivation 18
2.1.2 Verfügbare Simulatoren 19
2.1.3 Aufbau von Neurosimulatoren zur Berechnung der Ner
venzellstimulation 20
V
VI INHALTSVERZEICHNIS
2.2 Modelle der Zellmembran 21
2.2.1 RC Modell 22
2.2.2 Hodgkin Huxley Modell 23
2.2.3 Frankenhaeuser Huxley Modell 27
2.2.4 Chiu , Ritchie , Rogert , Stagg , Sweeney Modell .... 28
2.2.5 Schwarz Eikhof Modell 29
2.2.6 Fohlmeister Modell 30
2.2.7 Morris Lecar Modell 32
2.2.8 Membranmodelle für amakrine Zellen 33
2.2.9 Membranmodelle für Bipolarzellen 34
2.2.10 Membranmodelle für Horizontalzellen 36
2.3 Morphologisches Modell der Retina 37
2.4 Berechnung elektrischer Strömungsfelder 40
2.4.1 Analytische Beschreibung des Potenzialfeldes 40
2.4.2 Numerische Verfahren 41
2.4.3 Randbedingungen des Strömungsfeldes 44
2.5 Verfahren zur Lösung des Gleichungssystems 46
2.5.1 Überblick 46
2.5.2 Sparse Matrix Verfahren 47
2.6 Parallelverarbeitung in Rechnersystemen 59
2.7 Ausnutzung von Symmetrien 60
2.7.1 Ebenensymmetrie 60
2.7.2 Zylindersymmetrie 61
INHALTSVERZEICHNIS VII
2.8 Ortsabhängige Simulationsauflösung 62
2.9 Simulation von Axonen 63
3 Selektive Stimulation 66
3.1 Allgemeine Aspekte 66
3.1.1 Selektivitätsmaß 66
3.2 Methoden zur selektiven Fokussierung von Reizen 67
3.2.1 Optik 68
3.2.2 Schall 68
3.2.3 Weitere Techniken und Möglichkeiten 70
3.3 Stimulation mit elektrischen Strömungsfeldern 71
3.3.1 Stimulationsfokus mit Einzelelektrode und
Standardpulsen 71
3.3.2 Selektivität durch Verschaltung mehrerer Elektroden . . 74
3.3.3 Selektivität durch Zellgeometrie 83
3.3.4 Zelltyp abhängige Selektivität 85
3.3.5 Selektivität durch Pulsformung 89
3.4 Stimulation mit elektrischen Feldern 96
3.5 Stimulation mit magnetischen Feldern 97
3.6 Stimulation mit schnell veränderlichen Feldern 98
3.7 Selektivität durch Laserstrahlung 101
3.8 Selektivität durch Closed Loop Stimulation 103
3.9 Zellkörper vs. Axon Stimulation 104
4 Mikroelektronische Realisierung 106
VIII INHALTSVERZEICHNIS
4.1 Anforderungen an Stimulationssysteme 107
4.2 Architektur von Stimulationssystemen 108
4.3 Speicherorientierte Ablaufsteuerung 109
4.3.1 Speicher 110
4.3.2 Timer 114
4.4 Digital/Analog Umsetzer 115
4.4.1 R2R Umsetzer 116
4.4.2 Switched Capacitor Umsetzer 116
4.4.3 Digital/Analog Umsetzer durch parallel geschaltete Strom¬
quellen 118
4.5 Stromquellen 119
4.5.1 MOS Transistor als Stromquelle 119
4.5.2 Stromspiegel 122
4.5.3 Cascode 124
4.5.4 Digital ansteuerbare Stromquelle 124
4.6 Ladungsausgleich 127
4.6.1 Ladungsausgleich durch Serienschaltung von Kondensa¬
toren 128
4.6.2 Messung des Stimulationsstroms 129
4.6.3 Ladungskontrolle durch Stromintegration 130
4.6.4 Ladungswächter 130
4.6.5 Quantisierungsprobleme 132
4.7 Leistungsaufnahme 132
5 Zusammenfassung und Ausblick 134
INHALTSVERZEICHNIS IX
5.1 Zusammenfassung 134
5.2 Ausblick 137
6 Anhang 139
6.1 Verwendete Membranparameter 139
6.1.1 Allgemeine Konstanten 139
6.1.2 Hodgkin Huxley Modell 139
6.1.3 CRRSS Modell 140
6.1.4 Frankenhaeuser Huxley Modell 140
6.1.5 Schwarz Eikhof Modell 140
6.1.6 Fohlmeister Modell 141
6.1.7 Morris Lecar Modell 141
6.1.8 Bipolarzell Modell nach Usui 142
6.1.9 Horizontalzell Modell nach Aoyama 142
6.2 Calcium Konzentrationsänderung 142
6.2.1 Konstanten zur Calcium Konzentrationsänderung .... 143
7 Glossar 144
Literaturverzeichnis 147
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