【摘 要】
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随着无创脑刺激技术的发展,经颅电刺激（Transcranial Electric Stimulation,tES）技术依靠其低成本、无创和高安全性等优势,受到广大研究者的青睐。由于tES刺激过程中诱发的电场分布较为复杂,因此系统、全面地了解经颅电刺激下脑内电场的分布特性是优化刺激效果、指导刺激方案选择的关键。探索经颅电刺激电场仿真的基础是重建一个较为精确的真实头模型。本文以高分辨率0.5mm和高通
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随着无创脑刺激技术的发展,经颅电刺激（Transcranial Electric Stimulation,tES）技术依靠其低成本、无创和高安全性等优势,受到广大研究者的青睐。由于tES刺激过程中诱发的电场分布较为复杂,因此系统、全面地了解经颅电刺激下脑内电场的分布特性是优化刺激效果、指导刺激方案选择的关键。探索经颅电刺激电场仿真的基础是重建一个较为精确的真实头模型。本文以高分辨率0.5mm和高通用性的磁共振数据为基础,采用Mimics软件完成了更为接近人体组织的真实头部建模,并以该模型为基础,进行颅内电场分布仿真的研究。基于COMSOL仿真平台,本文先后建立传统贴片电极、环状电极、4×1高清电极三种电极模型并开展仿真效果对比分析。结果表明,4×1高清电极具有较高聚焦度和较小分流效应,更有利于聚焦刺激靶位,但其诱发的电场强度小于传统贴片电极诱发的电场强度。为提高4×1电极诱发的电场强度,本文提出混合电流注入模式。基于4×1电极对比注入模式分别为1mA直流电和峰值1mA频率10 Hz交流电的混合电流、1.5mA直流电和峰值0.5mA频率10 Hz交流电的混合电流、0.5mA直流电和峰值1.5mA频率10 Hz交流电的混合电流以及单独2 mA的直流（交流）电所诱发的电刺激效果。结果表明,本文提出的混合电流注入模式诱发灰质皮层的电场强度可达到0.42 V/m,相较于单独2 mA的直流电诱发的电场强度0.32 V/m有明显提高。为了进一步优化电刺激效果,本文引入增加λ项算法。以初级运动皮层作为目标区域进行定向刺激,分别采用本文增加λ项算法与前人提出的最小二乘法、最大强度法以及约束最大强度法求目标区域最优电极组合和注入电流强度方案。结果表明,本文引入增加λ项优化算法诱发的最大电场强度0.39 V/m、聚焦度8.4767相较于约束最大强度法诱发的最大电场强度0.37 V/m、聚焦度7.1825均有明显改善。综上所述,本文基于高分辨率和高通用性的MRI数据建立高精度头部模型,采用COMSOL仿真平台,对传统贴片电极、环状电极、4×1高清电极三种电极结构最优刺激方案展开研究,通过对比分析,验证了混合电流注入模式和增加λ项算法两种优化方案的可行性,为tES技术临床应用与科学研究提供了模型参考。
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