Témavezető: Dr. Koppa Pál

Bevezetés

Az agyi stimuláció biofizikai háttere

Az optikai eszközökkel közvetített energia sokkal lokalizáltabb gerjesztést eredményez a szövetben, így alkalmas bizonyos idegsejtcsoportok stimulálására, anélkül, hogy a többiek működését befolyásolná. Az in vivo kísérletekben az optikai stimuláció nem hárítja át az idegi válasz elektromos jelét, így az zavartalanul mérhető. A (3) egyenletben mind az ioncsatornák szelektív permeabilitása, mind a membrán kapacitása hőmérsékletfüggő, ezért a membránon átfolyó áram az infravörös stimuláció hatására megváltozik.

Az ezen egyenletek alapján készült szimuláció szerint magas hőmérsékleten a membrán K+ ionjának permeabilitása jelentősen meghaladja a Na+ ionét, ami gátló hatással van az akciós potenciál terjedésére [18]. Érdemes megemlíteni a hőmérséklet-függő TRPV receptorok szerepét az agy infravörös stimulációja által okozott akciós potenciál kiváltásában.

Agyi stimulációs eszközök

A készülék alkalmas az agy elektromos válaszának 2 dimenziós mérésére, de a csúcsok hosszát a szilíciumlemez vastagsága korlátozza, így elsősorban az agykéreg stimulálására használják. A különféle ingerületátvivő anyagok neurokémiai érzékelőkkel történő detektálása az elektromos detektáláson túl a terápiás hatás vizsgálatához is képet ad. A szilícium optródák tervezésekor a végső cél az elektromos és neurokémiai jelátvitel, a stimuláció és az injekció egyetlen kompakt eszközben történő összehangolása a kívánt terápiás hatás optimalizálása érdekében.

További fontos szempont az eszköz biokompatibilitása [32], melynek optimalizálása során mind a makroszkopikus, mind a mikroszkópos szempontokat figyelembe kell venni. A készülék mechanikai stabilitásának kialakításakor rendkívül fontos szempont, hogy a tű hajlításához szükséges erő jóval meghaladja a beszúráshoz szükséges erőt.

Kutatási előzmények

Előnye az optikai szálakhoz képest, hogy közvetlenül a felületére helyezhetők elektromos érzékelők, valamint a tűben végződő hegy - az ún. A csoport által kifejlesztett nedves kémiai polírozási eljárásnak köszönhetően a készülék felülete kellően simává tehető a szórási veszteségek csökkentése érdekében. A reaktív ionmaratás eredményeként a készülék falán függőleges és vízszintes hornyok keletkeznek, amelyek jelentősen növelik a szórási veszteséget.

Az eddigi kutatási eredmények alapján a készülék alkalmasnak bizonyult stimuláló infravörös lézerfény irányítására és kibocsátására, valamint az agy elektromos válaszának mérésére. Ezen paraméterek meghatározása után a készülék továbbfejleszthető, gyógyászati ​​felhasználási szempontból optimalizálható.

Modellezéshez használt numerikus módszerek

• Sugároptika és alkalmazásának feltételei
• Fraunhofer-szórásmodell és alkalmazásának feltételei
• Mechanikai deformációs modell
• Optikai és termikus modell csatolása
• Végeselemek módszere

Az optikai tengely közelében végzett paraxiális közelítésben az elemi hullámok gömbfázisfelületeit a velük párhuzamos paraboloidok helyettesítik. Ennek a Fresnel-megközelítésnek a következő feltételei vannak [54]: .. a) a nyaláb mérete és az optikai tengelytől való távolság lényegesen kisebb, mint bármely releváns fókusztávolság vagy rendszerméret. b) a megoldást sokkal nagyobb távolságokban keressük, mint a hullámhossz. A felületi érdesség fényszórásának modellezésekor az optikai úthosszak különbsége miatt a felület különböző pontokon eltérően tolja el a beeső sugár fázisát, és a Huygens-Fresnel elv szerint ezek szuperpozíciója lesz az új hullámfront. . elemi hullámfrontok.

Az optikai modellben számított elnyelt térfogati teljesítménysűrűség-eloszlás forrástagként jelent meg a termikus modell hőátadási egyenletében. A korábbi munkákban akár az optikai, akár a termikus modell mérési eredményeken, vagy egyszerű analitikai közelítéseken alapult, ami nem tette lehetővé minden modellparaméter rugalmas változtatását, így az optimalizálás lehetőségei korlátozottak voltak.

Optikai modell

Sugároptikai modell

• Sugároptikai modell felépítése
• Optikai szál sugároptikai modellje és validálása

A szálból kilépő sugarak egy hengeres lencsén haladnak át, amely az optróda keskeny végére (tűtest) fókuszálja őket. Az első modell esetében a kimeneti paraméter a szétkapcsolási hatásfok, a másodiknál ​​az agyban elnyelt térfogati teljesítménysűrűség-eloszlás.

Szórásmodell

• Felületi mérések és kiértékelésük
• Felületi szórás Zemax modellje
• Szórásmodell validálása
• A komplex optikai modell validálása

Ugyanakkor a két görbe karakter és szögtartomány tekintetében megfelelő egyezést mutat, ezért az optikai modellben ezt a szálas modellt alkalmaztam. Miután WLI méréssel igazoltam, hogy felületi érdessége hasonló az optróda felületi érdességéhez (csúcstól csúcsig értéke 1 µm, vízszintes periódusa 10 µm nagyságrendű), ezzel validáltam a modell modelljét. terjesztés. Mivel a detektort nehéz lenne közvetlenül a készülék elé helyezni, a kimenő nyalábot mikroszkóp objektívvel (50x, NA=0,8) leképeztük a detektoron.

Az optikai mérés képe: az optróda egyedi tervezésű mintatartóban (4), 3 szabadságfokban mozgatható talpon (2). Modellezési célom az volt, hogy meghatározzam az intenzitásveszteséget az eszköz mentén, és modellezzem az optikai szál vége és a lencse közé felvitt törésmutatóhoz illeszkedő ragasztó hatását. Három különböző esetet vizsgáltam: egy ideálisan sima falú, egy érdes falú, és egy optróda ugyanolyan érdes falú, de törésmutató-illesztő ragasztóval.

A B pontban a keletkező veszteség jelentősen eltér a három esetben: látható, hogy a törésmutatóhoz illeszkedő ragasztó használata majdnem az ideálisan sima esetre csökkenti a veszteséget. Az ideálisan sima falú modell 46%-os leválasztási hatásfokához képest a reális modell 29%-ot adott, ami a modellnek megfelelő törésmutató-illesztő ragasztó alkalmazásával 34%-ra javítható. Az optikai hatásfok átlaga és szórása tehát 30,5±2,5% volt, ami jó egyezést mutatott a mért 32±4%-os értékkel.

A készülék felületének fehér fény interferométerrel történő mérése után Fourier eloszlási modell segítségével modelleztem a felületi fényeloszlást, melyet goniométeres eloszlási profil méréssel validáltam. A szórási profil több különböző mért felületről történő kiszámítása és az optródanyaláb optikai modelljébe történő beépítése után a szimulált optikai hatásfok 30,5±2,5% volt, ami jó egyezést mutatott a 32±4% mért értékkel. A validált optikai modell segítségével kimutattam, hogy a szilíciumlencse és a száloptikai vég között törésmutató-illesztett ragasztó alkalmazása 16%-os relatív hatékonyságnövekedést eredményez.

Termikus modell

A modell validálása

• Hálófüggetlenségi vizsgálat
• Az eredmények kiértékelése

Egy izgalmas elektródát 3 mm-re vízbe merített, míg egy másik elektróda kalibrált platina hőmérőjével mérte a hőmérsékletet ∆x=300 µm távolságban. Az időbeli hőmérséklet-eloszlást a mérőoptróda hőmérőjével rögzítette, 40 ms-os időlépéssel, majd a mérőoptróda X és Y irányban is mozgatja a térbeli eloszlást, 100 µm-es mintavétellel. Az eredmények alapján elmondható, hogy maximum 10 µm-es hálóelem méret megadása kellően finom felbontást biztosít, ezért ezt a hálót használtam a validáláshoz.

A mért és modellezett időfüggés jó egyezést mutat, így a modellt az időbeli viselkedés szempontjából validáltnak tekinthetem. Az eredmények kiértékelésekor látható, hogy a szimuláció mindkét esetben jól reprodukálta a maximális hőmérsékletváltozást. A hőmérséklet X irányú emelkedése jó egyezést ad a mérés és az elmélet között, ugyanakkor a mérés a szimulációnál erősebb csökkenést mutat a bomlási fázis esetén.

Ennek oka a következő lehet: A mérés kezdetén a hengerbe öntött víz hidegebb volt, mint a külső hőmérséklet, így a környezettel való termikus kölcsönhatás miatt idővel inhomogén hőmérséklet-eloszlás alakult ki benne. Az agyszövet sejtjeinek vízmegkötése miatt azonban nem szükséges konvektív áramlásokat számítani az infravörös stimuláció által okozott hőmérséklet-eloszlás szimulálásához. Általánosságban elmondható, hogy a szimuláció jól illeszkedő hőmérsékleti értékeket adott az időbeli viselkedésre és a maximális hőmérsékletváltozás értékére, valamint a térbeli hőmérséklet-eloszlásra is elfogadható eredményt adott, ezért a modell validáltnak tekinthető.

A validált modell alkalmazása

A hőmérséklet-eloszlás ideálisan sima (d), diffúz (e), diffúz felület, törésmutató-illesztő ragasztó (f) használatakor, 30 mW csúcsteljesítménnyel, 100 ms impulzushosszú gerjesztéssel, 90 ms időpillanattal. Térbeli hőmérséklet-eloszlás a szimmetriatengely mentén (g), a csúcstól való távolságtól függően, időbeli hőmérséklet-eloszlás a tűtesttől 100 µm-re lévő pontban (h). A közeg hőmérséklet-eloszlását hőtranszport modellel szimuláltam, ahol a hőforrást az optikai modellben elnyelt térfogati teljesítménysűrűség-eloszlás adta.

A modell validálásához a hőmérséklet térbeli és időbeli alakulását a gyakorlatban alkalmazott méréshez kapcsolódó gerjesztéssel és beállítással számoltam, amely jó egyezést mutatott a mérésekkel.

Az eszköz optimalizálása

A becsatolás optimalizálása

Feltételeztem, hogy a szálvezető horony meghosszabbításával és a szálnak a tűtesthez való közelebb tolásával nő a készülék hatásfoka, mivel a kimenő nyaláb nagyobb része kerül a tűtestbe, ugyanakkor ez nyilvánvalóan csökkenti a teljesítményt. mechanikai. a készülék szilárdsága bizonyos megnyúlás után. A lencsét és az üreget előtte hagyva várhatóan még közelebb nyomódik a szál, azonos mechanikai erőt feltételezve. A fenti mechanikai modell segítségével a szálvezető horony hosszának (továbbiakban ℓ, ld. 25/b ábra) függvényében kiszámítottam a készülék törési küszöbéhez tartozó maximális terhelőerőt, valamint a megfelelő leválási hatásfok segítségével. már említett optikai modell.

A lencsét elhagyva a maximális terhelőerő az eredeti értéken marad a C-vel jelölt pontig, majd ezt követően jelentősen csökkenni kezd. Az is megfigyelhető, hogy a lencse a horonyhossz kisebb értékeinél növeli a hatásfokot, azonban a lencse mechanikai határ közelében történő eltávolítása jobb hatásfokot biztosít. A fentieket összegezve elmondható, hogy a C pontban a készülék hatásfoka a mechanikai szilárdság károsodása nélkül nőtt.

Az A pont az eredeti ℓ = 2,33 mm értéknek, a B pont a maximális ℓ = 2,88 mm értéknek felel meg, amely nem csökkenti a geometria stabilitását lencsével, a C pont pedig az optimális ℓ = 3,27 értéknek felel meg. mm a geometria lencse nélkül.

A kicsatolás optimalizálása

• Tűvég geometria mérések
• Az eredmények diszkussziója

Az eredmények szerint a hatásfok jelentősen csökken aszimmetrikus esetben 53,35° és 73,35° között, szimmetrikus esetben pedig 35,5° és 73,35° között. Jelentős különbség azonban, hogy az aszimmetrikus nyitási szögű tűhegy lokalizáltabb gerjesztési területet eredményez, ami magasabb maximális hőmérséklet-emelkedést eredményez. Ezen szempontok figyelembevételével tovább vizsgáltam a 15°-os nyitási szöget, amely kis áthatolóerőt és kellő mechanikai stabilitást biztosít.

Felső sor: az elnyelt térfogati teljesítménysűrűség eloszlása ​​az optróda középsíkja mentén 30 mW maximális teljesítmény esetén, gerjesztés 100 ms impulzushosszúsággal t=90 ms időpontban: a tű eredeti csúcsa ( a), a rekesznyílás aszimmetrikus szöge (b), a szimmetrikus nyílásszög csúcsa (c), 2,5 µm a csúcson lekerekítéssel. Alsó sor: hőmérséklet-eloszlás az eredeti csúcshoz (d), aszimmetrikus nyitási szög (e), szimmetrikus nyitási szög csúcs (f) 2,5 µm-es lekerekítéssel a csúcson. A csúcsértékek 4°C, 4,42°C és 4,03°C a tompa, aszimmetrikus és szimmetrikus rekeszcsúcsnál, szemben az eredeti optróda 3°C-kal.

A gerjesztés kikapcsolása után a hőmérséklet 0,4 másodpercen belül visszatér eredeti állapotába, mivel a tűtest gyorsan hőt vezet a külső környezet felé. Ebből következik, hogy 4 különböző esetet különböztethetünk meg: a 45° alatti nyitási szögű tűhegy (A eset) és szimmetrikusan (C eset) 30° alatti tűhegy esetén a sugarak teljes visszaverődésen keresztül haladnak a csúcs felé, ahonnan távoznak. a Fresnel-képletek szerint. A teljes mechanikai-optikai-termológiai modell segítségével optimalizáltam az optróda kialakítását a mechanikai stabilitás, az optikai hatásfok és az elérhető maximális hőmérséklet-emelkedés szempontjából.

Megmutattam, hogy a crop lencse elhagyásával és az optikai szálnak a tűhöz 0,94 mm-rel közelebb történő mozgatásával azonos mechanikai stabilitás mellett 40,1%-os optikai hatásfok érhető el. Vizsgáltam a tűhegy alakjának hatását is, és kimutattam, hogy az optikai hatásfok 45,2%-ra javítható az eredeti tompa tűhegy 15°-os nyitási szögű tűhegyre cserélésével. Az eredmények alapján rájöttem, hogy az optimalizált optróda használatával az agyszövetben 4,42°C-os hőmérséklet-emelkedés prognosztizálható, azonos gerjesztési paraméterek mellett.

A modell felhasználása állatkísérletek szimulációjára

Az agyszövet csatolt optikai-termikus modellje

A modell összehasonlítása a vizes közeg közelítéssel

Modell felhasználása állatkísérletek tervezésére

A kutatási eredmények összefoglalása

Fekete "A multimodal optrode for spatially controlled infrared neural stimulation in deep brain tissue" Sens. Fekete "Infrared neural stimulation and inhibition using an implantable silicon photonic microdevice" Microsyst Nanoeng 6 : 2 paper. 34; Multimodal Neuroimaging Microtool for Infrared Optical Stimulation, Thermal Measurements and Recording of Neuronal Activity in the Deep Tissue" PROCEEDINGS 1 : 4 Paper: 494 , 4 p.

Fekete "Modeling of a silicon microprobe for infrared nerve stimulation" 5th International Conference on Physics of Optical Materials and Devices, Igalo (2018). Fekete "Optical characterization of an infrared neural optrode" In: Frédérick, Mailly; Pascal, Nouet (szerk.) Proceedings of the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP'18), New York (NY), United States: IEEE, (2018) pp. Roe "Histological Assessment of Thermal Damage to the Brain After Infrared Nerve Stimulation" Brain Stimulation.

Okudaira "Low temperature reactive ion etching and microwave plasma etching of silicon" Applied Physics Letters. Thorsos "Validity of the Kirchhoff Approximation for Rough Surface Scattering Using a Gaussian Roughness Spectrum" J. Worthing "On the Deviation from Lambert's Cosine Law of Emission from Tungsten and Carbon at Glowing Temperatures" Astrophysical Journal, vol.

Miskam "Design and Simulation of a Capacitive MEMS Bending Strain Sensor Using Dielectric Materials for Spinal Fusion Monitoring" Proc. Dehghan "Using the Ritz–Galerkin method to recover the space coefficients in the wave equation" Comp. Koppa "Simulation of small- and wide-angle scattering properties of glass chin reflectors" App.Opt.

Fekete "Infrared neural stimulation and inhibition using an implantable silicon photonic microdevice" Microsystems & Nanoengineering (2020). Rohmat "GRID INDEPENDENCE STUDY ON COMPUTATIONAL MODELING OF WIRE VORTEX PHENOMENON ON FIGHTER AND DELTA WING MODELS" Inter.