相位干涉电刺激仿真研究与分析
作者单位：上海体育学院
会议名称：《第十三届全国体育科学大会》
会议日期：2023年
学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 0711[理学-系统科学] 07[理学] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 080203[工学-机械设计及理论] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0802[工学-机械工程] 0836[工学-生物工程]
关 键 词：电刺激 相位干涉 有限元分析 包络电场分布 刺激方案
摘 要：研究目的:相位干涉(Temporal Interference,TI)电刺激是一种新提出来的技术,可用作无痛、无创的神经调节。这种技术基于两对电极,施加具有低频差的两路高频率交流电,从而产生低频调幅电场。利用无创技术调节大脑深层区域,其机制比常规经颅电刺激更为复杂。相关的研究已经取得一定进展,但刺激方案的配置和优化仍需要进一步探讨。寻找合适的刺激方案,并与真实情况相比较,从而验证其可靠性就很重要。本论文通过有限元仿真和分析,系统探讨TI电刺激的电场特征,研究调控电刺激热区的影响因素,为利用TI电刺激技术精准调控特定脑区提供理论依据。研究方法:简单的模型虽然仿真精度有所欠缺,但是能够在初步的仿真优化中大大节省仿真时间。应用于有限元仿真的人体组织可以简化成单层或多层人体组织模型,以二维一层圆、二维五层圆代替大脑模型。首先以二维一层圆、二维五层圆代替人体头模型,设置相关材料参数,研究基于TI刺激在不同模型产生的包络电场幅度分布。并以建立的二维五层简单头模为起点,建立针对要处理的特定任务的输入和输出选项,得到易于操控界面的仿真app,并设计两种不同的方案:1)两对电极电压值不相等时;2)调整电极的相对位置。之后通过app按照上述方案进行仿真,分析结果,研究TI刺激的可调性。其次基于三维五层头模,将人体组织的形态、电导率、介电常数等因素纳入仿真计算,使结果更接近实际情况。利用电气和电子工程师协会(IEEE)和国际电工委员会(IEC)提供的标准比吸收率值测量规范中的相同几何结构,该结构基于真实头的形状,包括头皮、颅骨、脑脊液、灰质、白质。对原始几何结构进行微调后将其导入有限元仿真软件中,设置相关材料参数,添加激励条件,进行TI电场的计算模拟。并且在此模型基础上,参照国际10-20系统脑电极分布图,对电极位置进行优化设计,比较计算结果,得出最佳的刺激方案。前述简单人体模型能够在初步的仿真及优化中大大的节省时间,但是其精确度、真实性仍然有所欠缺,亟待提高。仿真计算体内电场分布更加精确的办法是,在有限元仿真软件中基于大脑的核磁共振数据,得到更加精确的人体大脑数据模型。基于核磁共振数据构建头模,能够更加进一步地模拟人体组织,提高仿真的精确度,所得到的电场强度和电流密度等数据在TI刺激的未来应用上更具有参考价值。主要利用核磁共振数据构建一种头模型进行TI刺激仿真研究,结果可以得到更加精确的大脑相位干涉刺激电场分布。最后基于核磁共振数据建立的头模,施加刺激参数,进行有限元仿真并计算TI电场的分布特征。根据特定的刺激需求,给出对应的刺激方案。研究结果:1)二维头模的TI仿真研究表明:二维一层和二维五层头模仿真TI刺激,在x、y方向记忆实际的包络电场幅度空间分布具有相同的趋势。当两对电极输出电流相等相互平行时放置时,两路电流在中心区域产生最大的包络电场幅度值,而在偏离中心其他区域包络电场幅度值逐渐减小,包络电场幅度值的分布情况区分度明显,有明确的界限。当两对电极输出电流相等相互交叉时放置时,两路电流在中心区域产生较大的包络电场幅度值,但是其包络电场幅度最大值出现中心轴线其它位置,包络电场幅度值的分布情况区分度不明显,无明确的轮廓界限。当两对电极相互平行或交叉放置时都会产生相位干涉,并且产生的包络曲线频率等于两路高频电流频率的频率差?f。2)二维头模的app的仿真结果表明:包络电场幅度最大值与两路电流值有关并且会偏向电流较小的一侧;包络电场幅度的大小和空间分布可以由电极位置、电极尺寸、电流强度和频率差、电极间电流差等因素精确调控。这样TI刺激方法也就具有了很好的可调性。只需要改变体外施加在电极上的电流大小,或者改变体外电极的位置,就能够灵活地控制包络电场幅度值最大的地方(即目标刺激区域)以及相应的包络电场幅度空间分布。这样的可调性为后期的仿真优化提供了尽可能多的自由度。3)三维头模的TI仿真研究表明:当两路电极参数:F3-C3 (2000Hz,1mA),F4-C4(2010Hz,1mA)时,最大的包络电场幅度出现在大脑中心区域一定深度的位置;当两路电极参数:F3-C3(2000Hz,0.5mA);F4-C4(2010Hz,1mA)时,最大的包络电场幅度会偏向F3-C3一侧;基于10-20标准脑电导联系统优化方法,以1区和3区为例,得到TI刺激的优化方案:1区:C3-FZ (2000Hz,1.2mA);T3-F3 (2010Hz,0.8mA),3区:C4-FZ(2000Hz,1.1mA);T4-F4(2010Hz,0.9mA)。4)基于核磁共振数据的头模型仿真研究得到指定目标的刺激方案:指定人体大脑苍白球内侧为刺激目标,得到刺激方案:CP3-CP6(2005Hz,2.5mA),F3-F6(2000Hz,2mA),最大包络电场幅度值为0.50V/m;指定人体大