经颅直流电刺激有限元仿真的研究进展.pdf

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1、第14卷第4期2014年2月科学技术与工程Vo1．14No．4Feb．20141671—1815(2014)04—0131—06ScienceTechnologyandEngineering@2014Sci．Tech．Engrg．医药卫生经颅直流电刺激有限元仿真的研究进展吴祖河刘光启唐劲天(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；河南省洛阳正骨医院影像中心，洛阳471002)摘要经颅直流电刺激有限元仿真是一种基于头部有限元实体三维模型分析经颅直流电刺激电流分布的数学分析方法。作为一种理论研究方法，其目的

2、是为实际经颅直流电刺激的应用提供相应的理论基础，对实际的操作和实验具有一定的指导意义。综述了经颅直流电刺激有限元仿真的研究现状，分析了经颅直流电刺激的头部三维实体模型的建立及优化、电极片设计及定位等关键技术，展望了经颅直流电刺激的研究趋势和方向。关键词经颅直流电刺激有限元分析电极形状及定位聚焦深度中图法分类号R318．6；文献标志码A经颅直流电刺激(transcranialdirectcurrent实可行的且可替代经颅直流电刺激实际试验的研stimulation，TDCS)技术就是通过与刺激对象头部表究方法，从而进行经颅直流电刺激理论基础研究皮接触的电极片

3、将电流(直流)注入到刺激对象的和分析，以期达到与真实情况较为接近的研究脑组织，从而改变脑部神经元膜表面的电荷分布，影结果。响神经递质的释放，进而改善神经元的兴奋性，最终因此，经颅直流电刺激有限元仿真计算应运而调节刺激对象的大脑功能。生，该方法基于人体真实头部多层三维有限元模型随着生活压力的增大，越来越多的人们受到精(利用CT或MRI图像重建)或理想的头部实体模神性和神经性问题的困扰。其中常见的神经性疾型¨卜J。然后，给头部各层组织模型(头皮、颅骨、病，如抑郁l1]、强迫症J、神经疼痛I4』、精神性疾脑脊液、脑组织等)赋予对应的物理参数(如电导病，如老年痴呆

4、症J、耳鸣，、癫痫以及中风后率)¨他，通过给模型配置各种不同形状的电极，在失语，加]、中风后手功能障碍]。但是，这些疾电极片上施加一定的电流或电压。最后，利用有限病主要采用药物、心理及其他方法进行保守治疗，且元分析软件(COMSOLMultiphysics3．5或ANSYS副作用大、周期长。因此，就急需为这类人群提供等)进行求解和计算，可得到头部实体模型内产生一种效果良好、副作用小的治疗或辅助治疗方法，的局部或全局的电场(EF)或电流密度的矢量分布帮助该类人群克服上述疾病，重新融入到正常的图。通过分析模型内的电场或电流密度的矢量分布工作和生活中。经颅直流电

5、刺激作为一种良好的图，可以推断在实际中直接刺激人的头部时，电场或物理治疗方法，对以上所述的疾病具有较好的预电流在头部的分布情况。其目的就是为了探索经颅防和治疗作用。所以，该领域的探索和研究被很直流电刺激的电极形状及其在头部的定位和刺激参多研究者提上日程。数(电流大小、刺激时间等)等对经颅直流电刺激产而经颅直流电刺激的研究(如刺激的电极形状生的电场或者电流分布的影响，进而给实际的试验及大小，电极在头部的定位规则，刺激的电流等)，或应用提供一定的指导。因此，经颅直流电刺激的必须考虑绝对的生物安全性和可靠性；也要考虑头部模型建立、电极形状及其在头部的定位和刺激医

6、学伦理和实际情况。所以，就需要寻找一种真参数的设置是经颅直流电刺激仿真分析的主要研究方向。2013年9月313收到，1O月11日修改北京市科委项目(Z131100004013002)资助1头部三维实体模型建立的研究现状第一作者简介：吴祖河(1989一)，男，江西赣州人，博士研究生。对于经颅直流电刺激的仿真分析和计算，其中通信作者简介：唐劲天，男，教授，博士生导师，博士，研究方向：肿最关键的就是人体头部实体三维模型的重建；而重瘤物理治疗。E—mail：tan~t1959@tsinghHa．edu．cn。建的头部实体模型愈接真实，也就愈具有实际的研134科学技

7、术与工程14卷16WindhofM，OpitzA，ThielscherA．Electricfieldcalculationsin重而道远，需要付出更大的努力。brainstimulationbasedonfiniteelements：anoptimizedprocessing参考文献pipelineforthegenerationandusageofaccurateindividualheadmodels．HumanBrainMapping，2011；38(15)：1113—11231MartinDM，AlonzoA．MitchellPB，eta1．Fro

8、nto—extracephalic17GuleyupogluB，S