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目的视网膜上假体（Epiretinal Prosthesis,EP）是一种神经植入假体,它通过在视网膜上植入的微电极阵列对存活的视网膜神经节细胞（Retinal Ganglion Cells,RGCs）电刺激以产生神经兴奋,对外部获取的图像信息处理,从而恢复患者视觉。EP已经广泛应用于临床研究,仍然存在许多需要改进的性能缺陷,如图像分辨率低,生物相容性低,能耗过高以及使用寿命较短等。目前有多种用于提高假体功能的方法,如改进微电极阵列或电刺激波形等。EP电刺激波形目前是由刺激相和平衡相组成的电荷平衡矩形波。但是,矩形刺激波参数组合并不统一,并且矩形波是否是最佳的刺激波形仍值得商榷。本文旨在找到进行刺激时的最佳电刺激波形形状。方法建立胞外电刺激RGCs多房室仿真模型。模型包括轴突,胞体,树突、电极等;RGCs的膜电特性用Fohlmeister-Colman-Miller（FCM）模型描述;刺激电极为单极理想点电极,作用于RGCs的胞体上;电极和胞体之间为类玻璃体的均匀介质,电导率为0.057k??cm。研究改变矩形波的参数对于刺激效果的影响。传统矩形波包含五个参数:极性、幅值（A）、时间（pd1）、刺激相与平衡相的幅值比（PDR）和相间间隔（ipi）。使用频率-电流曲线明确神经元类型的方法,判断RGCs类型,根据RGCs归属确定阈值判断标准;RGCs膜电位超过+20mV时即为产生动作电位。改变参数,计算能量和电荷量,矩形刺激波产生动作电位所需的最小刺激幅值使用强度-时间曲线描述。遗传算法（Genetic Algorithm,GA）对矩形波参数和刺激波形形状的优化。GA应用时使用三种成本函数,成本函数仅考虑能量消耗时得到能量最优结果,仅考虑电荷安全时得到电荷最优结果,同时考虑能耗和电荷安全性时得到GA最优结果,即为最佳参数组合或波形形状。当连续两代的成本值差异小于0.001%时,优化过程终止。矩形波参数的优化。根据文献中的实验结果确定刺激时间、幅值、幅值比和相间间隔的参数空间,GA优化的矩形波始终为先阴极电荷平衡矩形波。比较优化后参数组成的矩形波与传统对称矩形波刺激时消耗的能量和电荷。电刺激波形形状的优化。仅优化波形的刺激相,平衡相使用有同等脉冲宽度和电荷量的矩形波代替。根据文献实验结果确定GA初始代刺激幅度和脉冲宽度的范围。优化结束后,比较GA算法优化的波形与传统对称矩形波在使RGCs产生动作电位时的能量消耗和传递电荷量情况。结果本研究中使用的电刺激RGCs胞外仿真多房室模型,能够有效模拟神经元各部位对电刺激的响应过程。经判断,RGCs属于Hodgkin分类的第一类神经元,可根据电流强度确定阈值。阈值刺激幅度为使RGCs产生AP的矩形波的最低幅度,并得到在阈值水平时的能量和电荷。当改变矩形波的极性时,极性为先阳极的对称双相矩形脉冲的阈值电流幅值为33.109μA,而先阴极对称脉冲的阈值电流幅度为25.004μA,能量消耗较前者下降了42.96%,电荷消耗较前者低了24.47%。使用先阴极矩形无间隔对称波刺激,改变刺激持续时间（范围为0.1-3ms）,当持续时间为最大值3ms时,得到最低电流为17.9μA,即为基强度电流。时值时间接近0.5ms,此时为最低能耗1204.09pJ,电荷量为17.35nC。在0.1ms脉冲持续时间时得到电荷的最低值为10.47nC,低于宽度为时值时间矩形波的电荷6.88nC。刺激持续时间固定在能量最低时间0.5ms观察其他参数的影响。当幅值比（范围为1-35）为35时,得到最小能量为764.38pJ,低于对称矩形波439.71pJ;当间隔（范围为0-1ms）为0.35ms或0.4ms时,得到最低能量759.51pJ,低于无间隔矩形波444.58pJ。对参数的调整可降低刺激的能量或电荷,使用GA对先阴极矩形波的参数组合进行优化。传统对称矩形波阈值水平的能量和电荷分别为795.21pJ和13.52nC。成本函数仅考虑能量消耗时得到能量最优的参数组合为1A（28）25.181μA,pd1（28）0.603ms,PDR（28）29.99,ipi（28）4.91ms,该组合的能量较阈值水平降低了50.96%;成本函数仅考虑电荷时的电荷最优参数组合为1A（28）55.10μA,pd1（28）0.22ms,PDR（28）9.33,ipi（28）3.95ms,此时电荷较阈值水平降低接近10%;GA最优结果为A1（28）15.625μA,pd1（28）0.86ms,PDR（28）29.88,ipi（28）4.99ms,电荷和能量分别为13.11nC和211.1053pJ,分别降低了3.06%和73.45%。使用GA优化刺激波形。根据文献中实际假体应用数据确定刺激相宽度为1ms,此时矩形波阈值水平的能量和电荷为489.5272pJ和15.409nC。优化之后,波形均汇集成相似形状,能量最优波形和GA最优波形类似为尾部高度截断的高斯波形,而电荷最优波形则类似于T型波。能量最优波形的能耗为465.2082pJ,较矩形波降低了24.319pJ;电荷最优波形传递的电荷量为14.0528nC,较矩形波降低了1335pC;GA最优波形的能耗和电荷较矩形波分别降低了24.0295pJ和854pC。延长脉冲宽度后的所有优化波形电荷均低于矩形波,能量随着脉冲时间的延长而降低。结论结果表明,矩形波的参数组合的改变对RGCs响应产生影响。脉冲的极性选择在刺激期间起到重要作用,先阴极的脉冲可以使用更低的阈值激活RGCs产生AP,消耗更少的能量和电荷;在一定范围内增加矩形波的脉冲宽度可以降低阈值和能量,而最小的脉冲宽度则消耗最低的电荷传递量;相间间隔的改变对于能量消耗的影响更明显。GA优化后的矩形波的参数组合和GA优化的波形形状相比于传统对称矩形波,均具有更低的能量和电荷。GA优化的波形形状类似于截断的高斯波形或者T型波,较长脉冲宽度的优化波形的能耗低于较短宽度,但电荷量则相反。同样脉冲宽度情况下,GA最优波形的能量和电荷值均低于矩形波。因此,经典的矩形波被证明为不是具有最佳能量和电荷的波形。视网膜上假体在应用时应考虑多个因素的影响,优化电刺激的波形和参数能够起到降低能耗和电荷的作用,将优化的结果应用到假体刺激中,对于改善假体的性能具有一定的意义。