基于Sim4Life的高精度经颅磁刺激研究

作     者：李建阳 

作者单位：辽宁科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王玉峰;李正国

授予年度：2023年

学科分类：1002[医学-临床医学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 100205[医学-精神病与精神卫生学] 10[医学] 

主      题：TMS 磁刺激线圈 Sime4Life有限元仿真 LIFAC神经元模型 闭环反馈控制 

摘      要：经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Simulation,TMS)作为一种新型的无创治疗方法,经过多年的研究已逐渐的应用于精神疾病的治疗领域。经颅磁刺激技术主要是通过刺激线圈产生的瞬变磁场耦合进头部组织病变区,在病变区组织细胞处产生感应电场,激发颅内电流,改变细胞活性,进而影响人体技能。目前对于经颅磁刺激的研究仍存在仿真不准确、刺激不精确的问题,本文就这一问题进行仿真研究,主要创新和内容如下:(1)在现有充电电路基础上进行改进,提出基于储能电容电压值的PID闭环反馈控制回路。通过PID反馈控制使储能电容的电压值能稳定到额定值,避免充电误差;储能电容中的电能通过放电回路对刺激线圈放电,产生磁刺激。通过改变放电回路IGBT的导通顺序产生三种形式的脉冲刺激:单脉冲刺激、双脉冲刺激和簇脉冲刺激。(2)应用Sim4Life有限元仿真软件,结合真实头部模型对三种传统刺激线圈进行仿真分析,得到刺激线圈在头部的真实E场、B场和J场分布,提取刺激场的最大电场强度、刺激深度和有效刺激体积信息,通过聚焦度评价公式得到三种线圈的聚焦度;根据三种刺激线圈的刺激特点,提出一种新式线圈结构,采用控制变量法分别仿真研究线圈的弯曲角度、尺寸大小以及线圈与头部之间的距离对线圈刺激场的影响,分别得到各组线圈的最佳结构和初始线圈的最佳放置位置。与经典线圈相比较,新型线圈在电场强度和聚焦度方面都要优于经典线圈。(3)选用适应性电流机制神经元模型作为本文的神经元模型,构成基于神经元膜电压值的反馈控制系统。TMS最后作用于颅内的神经元细胞,通过修改适应性电流机制神经元模型,得到TMS作用下的适应性电流机制模型。在刺激过程中,通过判断神经元膜电压是否达到放电阈值来决定刺激周期的长短。相较于以人工经验为主的开环控制,采用基于储能电容电压值和神经元膜电压值的闭环控制会使TMS的刺激精度更高。