兔脉络膜上腔微电极阵列植入后视网膜电刺激阈值和OCT的研究观察

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1、兔脉络膜上腔微电极阵列植入后视网膜电刺激阈值和 OCT 的研究观察#刘广峰，董方田，张华，于伟泓*510152025303540（北京协和医院眼科，北京 100005）摘要：目的 研究兔眼脉络膜上腔多通道微电极阵列芯片植入术后，电刺激视网膜后在中枢诱发的电诱发电位（EEP）的阈值和 OCT 表现。方法 将多通道刺激电极植入 9 只青紫蓝兔左眼后极部的脉络膜上腔，将铂丝制成的参比电机置于玻璃体腔，硬膜外放置记录电极。刺激电极采用双向刺激的方式发出电刺激，在中枢记录 EEP。应用检眼镜检查和 OCT 检查评价多通道微电极阵列芯片植入和清除后对兔眼组织的安全性。结果 多通道微电极阵列芯片成功植入 9

2、 只实验兔眼的脉络膜上腔。当脉络膜上腔刺激电极发出电刺激后，可以在硬脑膜外2OCT 检查显示相应的脉络膜组织与邻近组织间连接紧密。 结论 置于脉络膜上腔的电极发出的电刺激可以有效地诱发出 EEP，且其阈值较低；脉络膜上腔是较理想的视网膜假体放置部位。关键词：眼科学；微电极阵列；脉络膜上腔电极；电诱发电位；阈值；OCT中图分类号：R773.404OCT change and threshold of electrical evoked potentialsstimulated by a suprachoroidal multichannel electrode arrayin rabbit ey

3、esLiu Guangfeng, Dong Fangtian, Zhang Hua, Yu Weihong(Department of Ophthalmology, Peking Union Medical College Hospital, Beijing 100005)Abstract: Objective The aim of this study is to investigate the OCT change and thresholdelectrical charge density of the retina in rabbits for the generation of el

4、ectrical evoked potentials(EEP) by delivering electrical stimulation with a microelectrode array (MEA) implanted into thesuprachoroidal space. Methods A flat electrode array was developed and applied in this study.The left eyes of 9 chinchilla rabbits were selected as experimental eyes. After perfor

5、ming a scleralincision at 6 mm from the limbus, the array was inserted into the suprachoroidal space in theposterior portion of the eye. A platinum wire was implanted into the vitreous space as a referenceelectrode. For electrical stimulation, a biphasic pulse was used. When the electrode was stimul

6、ated,the EEP was recorded. The safety of this device to eye tissue was evaluated by ophthalmoscope,and OCT examination. Results The MEA was successfully implanted into the retina andsuprachoroidal space. When the electrical stimulation from the superchoroidal space was applied,the EEP could be recor

7、ded with an epidural electrode, and the threshold was 107.14 17.14 nC(68.20 10.91 C/cm2). OCT revealed that the device attached to choriod and adjacent tissue.Conclusion Transretinal electrical stimulation from the suprachoroidal space could elicit EEP,suggesting that this approach may be useful for

8、 a retinal prosthesis system.Keywords: ophthalmology; microelectrode array; suprachoroid electrode; electrical evokedpotential; threshold value; OCT0 引言通过人工视网膜假体刺激视网膜获得视觉信息是针对年龄相关性黄斑变性（age-relatedmacular degeneration, AMD）、视网膜色素变性（retinitis pigmentosa, RP）等视网膜退行性基金项目：高等学校博士科学点专项研究基金（200800230004）作者简

9、介：刘广峰，（1977-），男，主治医师，主要研究方向：眼底病学。通信联系人：董方田，（1951-），男，教授，主要研究方向：眼底病学。 E-mail: d_fangtian-1-的记录电极处记录到 EEP，阈值为 107.14 17.14nC（68.2010.91C/cm ）。检眼镜及4550变性疾病的一种治疗方式1-2。AMD 和 RP 患者的病变主要位于视网膜外层和视网膜色素上皮层。细胞学研究发现此类患者的内层视网膜细胞相对于外层视网膜细胞存活率较高3-5。而且有研究表明电极刺激视网膜可以产生相应的视觉信息，使视网膜、视神经或视皮质兴奋，在中枢产生电诱发电位（electrical evo

10、ked potential, EEP）6-8。通过电极或微电极阵列芯片（microelectrode array, MEA）发出电刺激作为视网膜假体，置于视网膜前1,9或视网膜下10是主要的植入方式，近年来脉络膜上腔成为另一个视网膜刺激电极的植入位置11。本研究应用二氯代环二聚体为衬底制作铂微电极阵列，置于兔眼的脉络膜上腔，研究 MEA 在兔眼的 EEP 阈值和植入后 OCT 观察视网膜的结构。1 材料与方法551.1主要材料基于二氯代环二聚体的 MEA 由北京大学微电子研究所制作，芯片大小为 6 cm15 m，半透明薄膜状，柔韧性强，含有微电极阵列。其前端为放置于眼内的植入部分，宽 2.6

11、mm，长 8 mm，其后两侧有缝合的侧臂，用于缝合固定，尾部为电极接触的尾端用于连接外部刺激源。每个芯片共有 20 个刺激电极（45），2 个刺激电极中心间的距离为 500 900 m，每个电极为圆形，直径为 100 m。601.2动物模型健康成年雌雄不限青紫蓝兔 9 只（北京协和医院动物研究所提供），体重 2.02.5 kg。左眼为实验眼，术前 30 min 给予 1%复方托吡卡胺滴眼液充分散瞳，0.2 mL/kg 速眠新 II 注射液肌内注射，耳缘静脉注射 3%戊巴比妥钠溶液 1 mL/kg 进行麻醉，0.4%倍诺喜滴眼液点眼表面麻醉。6570动物麻醉后头颈部备皮，暴露颅骨，钻取直径为 1

12、.5 mm 孔至硬膜外。将直径为 500 m的铂电极丝置于钻好的孔中，其前端接触硬脑膜作为记录电极。在人字缝前 20 mm、中缝左侧 3 mm 处钻取直径为 1.5 mm 的孔，将直径为 500 m 的铂电极丝置于钻好的孔中，作为参比电极。地电极插入左耳。将基于二氯代环二聚体的 MEA 附着在等大的塑料衬片上插入脉络膜与巩膜之间的腔隙，7-0 尼龙线固定电极两端，取出塑料衬片。在角膜接触镜下在后极部透过视网膜和脉络膜的血管可见脉络下的电极。在眼球的对侧剪开球结膜，一根铂丝作为参比电极于角膜缘后6 mm 处插入玻璃体中央，并于巩膜表面缝合固定。1.3视觉诱发电位及 EEP 的测量每个动物植入芯片

13、后测量视觉诱发电位（visual evoked potential, VEP），测量时将光刺7580激器置于兔眼前 3 cm 处，刺激器的强度为 1.2 J，刺激频率为 1 Hz。重复 30 个周期，取其平均值。在测量 EEP 时，程控刺激器发出一组双向电流刺激，该电流包括一个负向的电流和一个正向的电流，每个方向的电流刺激持续约 1 ms，正波负波之间间隔 1 ms。先负波后正波，刺激频率为 4 Hz。芯片上 20 个刺激电极同时发出点刺激，记录出现 EEP 的阈值。在一片 MEA 的测量中，连续 3 次出现振幅变化大于基础噪声 2 倍的电量视为 EEP。测量初始电流为 100 A，如果有诱发

14、皮质电位则以 10 A 为基准单位减小电流，直至 EEP 消失；如果没有出现 EEP 则以 10 A 为基准单位增大电流，直至出现 EEP；能导致 EEP 出现的最小电流强度为阈值电流强度。重复测量 30 次，取其平均值。-2-2 结果头部电极植入及脉络膜上腔 MEA 植入术后，在双向刺激电流的作用下，兔眼 VEP 振859095100105110115幅为（169 58）V，隐含时为（22.3 1.4）ms。MEA 刺激可以产生 EEP，典型的图像早期为连续的负波，之后是正向波， 150 A 电流产生的 EEP。经测量产生 EEP 的电量阈值为（107.14 17.14）nC，（68.201

15、0.91）C/cm，阈值的最大值为 130 nC（82.76 C/cm），最小值为 90 nC （57.30 C/cm）。电刺激后行眼底检查，未发现明显的视网膜异常，OCT 显示 MEA 芯片位于脉络膜上腔，其周围没有明显的腔隙，与周围组织贴附良好，与其上的脉络膜组织附着紧密。3 讨论本实验制作了一种目前已知最薄的芯片，厚仅 15 m。将该 MEA 手术植入脉络膜上腔后通过双向的电流刺激可以在中枢诱发 EEP。Nakauchi 等12对 6 只新西蓝兔的研究得到的阈值为 56 C /cm2；Zhou 等13对青紫兰兔的脉络膜上腔植入电极后点刺激得到的阈值为48.64 C /cm2；而 Saka

16、guchi 等11在新西蓝兔的脉络膜上腔电极植入得到的阈值为 42.0C/cm2；Wong 等14以猫为研究对象，得到其视网膜电刺激的阈值为 63.22 C/cm2。结果差异较大，可能为本研究中所采用的 MEA 刺激电极的面积和形状差异很大，既有直径 100 m和直径 250 m 的圆形电极12，还有 750 m300 m 的方形电极13，而且各种电极的设计结构和电刺激的波形也不一致。Brummer 等15研究表明，电流持续时间0.6 ms 时铂电极可承受的最大电流强度为 300350 C /cm2，远高于本研究测得的阈值，认为铂作为电极刺激材料是安全的。本研究表明，视网膜刺激电极距离被兴奋细

17、胞越近，其阈值越小。脉络膜上电刺激要跨过脉络膜和视网膜色素上皮细胞层，其刺激电流的阈值高于视网膜下和视网膜表面电刺激的阈值。Yamauchi 等16研究获得的视网膜下电极刺激的阈值为 22.9 C/cm2，而视网膜表面电极可以直接刺激神经节细胞，其阈值通常35 C /cm217。Walter 等18研究表明青紫蓝兔视网膜表面电刺激的阈值为 112 C /cm2，但是在电极与视网膜表面接触不好时，其阈值会明显增大。脉络膜上腔 MEA 植入手术简单，并发症少；而视网膜下和视网膜表面 MEA 植入也需要行玻璃体手术，手术并发症多。本研究中芯片较薄，顺应性非常好，OCT 显示芯片凭借眼内压力可以良好地

18、贴附在眼球壁与脉络膜之间而没有潜在腔隙，是理想的视网膜假体。组织学检查结果证实电刺激后视网膜各层组织没有明显的组织结构的损害，而 Nakauchi19以脉络上腔电刺激是安全的，但是目前的研究都是以动物为研究对象，而人的长期电刺激对眼内结构的影响有待进一步研究。4 结论综上所述，基于二氯代环二聚体的 EEP 在脉络膜上腔可以有效地诱发 EEP，并且其阈值较低，OCT 显示 MEA 芯片位于脉络膜上腔，与其上的脉络膜组织附着紧密。但是对于各个电极组合发出的刺激所诱导的 EEP 变化及其长期植入后电刺激的变化尚需进一步研究。120-3-的研究表明需要 6782119 C/cm2 的电刺激才能造成组织

19、学上可见的视网膜损伤。所等参考文献 (References)1 Yanai D, Weiland JD, Mahadevappa M, et al. Visual performance using a retinal prosthesis in three subjects125130135140145150155160with retinitis pigmentosaJ. Am J Ophthalmol, 2007, 143(5):820-827.2 Horsager A, Greenwald SH, Weiland JD, et al. Predicting visual sensiti

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