经颅直流电刺激仿真_王婕

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1、ＩＳＳＮ１０００－００５４清华大学学报（自然科学版）２０１４年第５４卷第９期１８／２５ＣＮ１１－２２２３／ＮＪＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖ（Ｓｃｉ＆Ｔｅｃｈｎｏｌ），２０１４，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．９１２２５－１２２９不同刺激条件下经颅直流电刺激的仿真王婕１，刘津津２，吴祖河１，李伟２，唐劲天１（１．清华大学工程物理系，粒子技术与辐射成像教育部重点实验室，医学物理与工程研究所，北京１０００８４；２．河北工业大学电气工程学院，天津３００１３０）摘要：经颅直流电刺激是一种非侵入式的脑刺激方法。ｕｓｅｄｔｏｓｅｌｅｃｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｒｅａａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｉ

2、ｎｔｅｎｓｉｔｙｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｒｅｄ为了优化电刺激中电极与刺激强度的选择，基于人体头部解ｄｏｓｅａｎｄｔａｒｇｅｔｌｏｃａｔｉｏｎ．剖结构，建立了４层同心球体有限元模型，通过数值计算方Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ｔＤＣＳ）；ｆｉｎｉｔｅ法，讨论了不同刺激电极面积和电流强度对大脑表面电场和ｍｏｄｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｒｅａ；ｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙ内部电场的影响。结果表明：提高刺激电流能够增大整个大脑区域的电场强度。刺激的有效强度面积比率与电

3、极面积呈良好的线性关系。且减小刺激电极面积，可增加大脑皮经颅直流电刺激（ｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔ层与内部的电场强度比例。在实际应用中，应根据刺激脑区ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔＤＣＳ）是一种非侵入式的脑皮层神经的位置和刺激强度的要求，合理选择电极面积大小及刺激电元刺激技术，利用在头皮上施加的微弱直流电引起流强度。该研究对经颅直流电刺激参数的选择具有一定的脑皮层兴奋性的变化。经颅直流电刺激技术凭借其参考意义。无创伤、应用方便等优点，已在多个方向取得了积关键词：经颅直流电刺激（ｔＤＣＳ）；有限元模型；数值模拟；［１－２］极的研究成果，如神经

4、病学、精神病学等。现电极面积；电流强度有的ｔＤＣＳ的刺激电极形状及治疗电流强度并无中图分类号：Ｒ３１８文献标志码：Ａ统一的参考标准，不利于生物实验的开展。考虑文章编号：１０００－００５４（２０１４）０９－１２２５－０５到人脑结构的复杂度，通过生物实验方法寻找最佳刺激条件需要大量的研究工作，且实验存在一Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｎｄ定的风险。ｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｄｕｒｉｎｇｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌ随着计算科学和有限元方法的不断成熟，仿真ｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ模型和数值计算方法被广泛应用

5、于ｔＤＣＳ的研究ＷＡＮＧＪｉｅ１，ＬＩＵＪｉｎｊｉｎ２，ＷＵＺｕｈｅ１，ＬＩＷｅｉ２，ＴＡＮＧＪｉｎｔｉａｎ１［３－５］。基于Ｈｏｄｇｋｉｎ－Ｈｕｘｌｅｙ方程的神经元轴突３中（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｄｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ维有限元模型，已用于从微观角度探索神经元对电ｏｆＰａｒｔｉｃｌｅａｎｄＲａｄｉａｔｉｏｎＩｍａｇｉｎｇｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，［６］刺激动态响应的研究。宏观角度的仿真研究主要ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｈｙｓｉｃｓ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖ

6、ｅｒｓｉｔｙ，［７］集中在脑深部电刺激，如刺激视皮层治疗失明、Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ；［８］２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，刺激丘脑治疗帕金森病，及功能性肌肉电刺ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３０，Ｃｈｉｎａ）［９］激。对于经颅方式的电刺激仿真模型，国内尚缺Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ｔＤＣＳ）ｉｓａ乏相关研究。对于影响电刺激的参数，Ｐｅｔｅｒｃｈｅｖｎｏｎ－ｉｎｖａｓｉｖｅｂ

7、ｒａｉｎｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｎｄ［１０］等总结包括：１）治疗持续时间；２）电极个数及ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｕｓｉｎｇａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｆｏｕｒｌａｙｅｒｓｐｈｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈｕｍａｎｂｏｄｙａｎａｔｏｍｙｔｏ固定位置；３）电极的大小、形状与位置；４）刺激峰ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｅｅｐｉｎｔｈｅｂｒａｉｎａｎｄｏｎｔｈｅｂｒａｉｎｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ

8、ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅ