Simulation of magneto- and electrophosphenes

Abstract

Phosphenes are visions of light produced without light entering the eye. When phosphenes are caused by time-varying magnetic fields or electric currents they are called magneto- or electrophosphenes. These phosphenes are assumed to originate from the electrical stimulation of the retina. However, the underlying mechanisms and the required intensity for retinal stimulation have remained unclear.

This thesis characterized phosphene thresholds in regards to retinal current density and electric field intensity by computationally simulating four phosphene threshold experiments. Electric fields and currents induced by magnetic and electric stimulation were determined using the finite element method and anatomically realistic computational models of human heads.

The results of this thesis could help to uncover the mechanisms behind the phosphene phenomenon or be utilized in the development of retinal prostheses for patients suffering from vision loss. Alternatively, the results could help in revision of electromagnetic field safety restrictions which aim to protect humans from adverse health effects due to electromagnetic interference.

Fosfeenit ovat valoaistimuksia, jotka syntyvät silmissä ilman valon vaikutusta. Fosfeeneja, jotka aiheutuvat aikariippuvaisista magneettikentistä tai sähkövirroista kutsutaan magneto- tai elektrofosfeeneiksi. Näiden fosfeenien uskotaan johtuvan verkkokalvon sähköisestä stimulaatiosta mutta niiden taustalla olevat syntymekanismit ja verkkokalvon stimulaatioon vaadittavat kynnysarvot ovat silti epäselviä.

Tässä diplomityössä määritettiin fosfeenien kynnysarvoja verkkokalvon virrantiheyden ja sähkökentän voimakkuuden suhteen simuloimalla neljää kokeellista fosfeenitutkimusta. Magneettisella ja sähköisellä stimulaatiolla indusoituja sähkökenttiä ja -virtoja tutkittiin laskennallisesti käyttäen elementtimenetelmää ja anatomisesti realistisia mallinnuksia ihmispäistä.

Työn tulokset voivat auttaa fosfeenien syntymekanismien selvittämisessä tai niitä voidaan hyödyntää verkkokalvoproteesien kehityksessä potilaille, jotka ovat menettäneet näkökykynsä. Tuloksia voidaan myös hyödyntää arvioitaessa sähkömagneettisten kenttien turvamääräyksiä, joiden tarkoitus on suojata ihmisiä kenttien haitallisilta terveysvaikutuksilta.