磁刺激脑内感应电场聚焦性的仿真研究与线圈优化设计

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1、摘要重复性经颅磁刺激在脑功能检查、诊断以及治疗方面的临床效果已经得到了越来越多的验证，且因其无创性等优点受到越来越多的关注，提高磁刺激中脑内电场分布的聚焦性是磁刺激中的一项关键技术，与感应电场分布特性密切相关的激励线圈研究更成为一个热点。目前，大部分针对磁刺激激发感应电场的研究都建立在半无界平面上，少数研究建立在二层球头模型或三层球头模型基础上，而且未考虑球面电荷和电流分布产生的静电场。本论文中，提出运用模拟人体头部结构的五层球模型进行脑神经磁刺激感应电场聚焦性研究，将头部结构近似为由头皮、颅骨、脑脊液、脑灰质和脑白质构成的五层球模型，在该模型的基础

2、上，考虑了人体头部不同组织的电介质成分，结合高斯定理和电流连续性原则，作为拉普拉斯方程中的边界条件，建立磁刺激过程静电场分布的精确数学模型，解决磁刺激过程中感应电场在人体头部各组织不同界面上的电荷分布问题。文中运用Matlab软件作为仿真工具，对半无界平面、三层球头模型和五层球头模型的感应电场分布进行计算和比较分析。目前对于感应电场聚焦性的分析基本局限于半宽度和电场最大值这两项参数独立地定性线圈的聚焦性。本文中，考虑到人体头皮分布着大量痛觉神经，而刺激靶位置定位于脑皮质层，因而在脑皮质层要达到刺激强度同时要降低人体头皮处的电场强度，因此提出了衰减度函

3、数。而且，在磁刺激过程中影响聚焦性能的参数还包括感应电场最大值、半宽度等参数，因此本文提出了比较感应电场聚焦性能的比较函数毛，用于更加科学统一地比较不同线圈的聚集性能和进一步优化线圈参数。本论文运用Matlab作为仿真工具，在所建立感应电场和静电场数学模型的基础上，精确计算磁刺激过程中人体脑部的电场分布，用比较函数毛进行线圈参数仿真优化，基于此得到了最佳聚焦线圈的参数值。在仿真结果的基础上，本文搭建电场检测电路，利用磁刺激器MAGSTIMRAPID2进行实验，对试验结果和仿真结果进行了比较，实验数据较好的地验证了本文所建数学模型的正确性。无疑，本论文

4、成果将对磁刺激技术发展及线圈研制有理论指导意义。关键词：重复经颅磁刺激(rTMS)，感应电场，球头模型，静电场，拉普拉斯，边界条件，Matlab，比较函数，电场检测AbstractRepetitiveTranscranialMagneticStimulation(rTMS)wasprovedtobeveryeffectiveonhumanbrainfunctionaltest，diagnosesandtherapyandalsogotmoreandmoreattentiononvirtueofnon-invasive．Furthermore,prom

5、otingfocusoftheelectricfileddistributionwasoneofthekeytechniqueandgraduallybecameahighlightinthisresearchfield．Asemi—infinitespacewasusedtosimulatethehumanbrainintheresearchbymostofresearchersandwhereasafewresearcherscarriedontheresearchontow—shellsphericalmodelorthree-shel】sph

6、ericalmodelwithoutconsideringthestaticelectricfieldinducedbythechargescumulatedonthesphericalinterfacebetweendifferenttissues．Inthispaper，thehumanbrainwassimulatedbyafive．shellsphericalmodelconsistedbyscalp，skull，cerebrospinalfluid，grey—brainandwhite．brain．Consideringthedielect

7、riccomponent，theLaplaceequationwasusedtosolvethechargedistributionondifferentinterface，andthegausstheoremandcurrent’Scontinuityprinciplewasprovidedasthecombinedboundarycondition．Basedonthemathematicmodel，theelectricfielddistributiononthesemi—infinite．three．sphericalmodelandthef

8、ive-shellsphericalmodelwascalculatedandanalyzedusingMa