经颅直流电刺激仿真_王婕

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／１８２５１２２５２２９１－
不同刺激条件下经颅直流电刺激的仿真
２１２１王婕１，刘津津，吴祖河，李伟，唐劲天
（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
经颅直流电刺激（ｒａｎｓｃｒａｎｉａｌｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｔ，）是一种非侵入式的脑皮层神经ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎｔＤＣＳ元刺激技术，利用在头皮上施加的微弱直流电引起脑皮层兴奋性的变化。经颅直流电刺激技术凭借其无创伤、应用方便等优点，已在多个方向取得了积
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维有限元模型，已用于从微观角度探索神经元对电
６］。宏观角度的仿真研究主要刺激动态响应的百度文库究［７］、集中在脑深部电刺激，如刺激视皮层治疗失明［８］，及功能性肌肉电刺刺激丘脑治疗帕金森病［９］。对于经颅方式的电刺激仿真模型，激［国内尚缺
ｕｓｅｄｔｏｓｅｌｅｃｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｒｅａａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｒｅｄｙｄｏｓｅａｎｄｔａｒｅｔｌｏｃａｔｉｏｎ．ｇ：）；ｆＫｅｗｏｒｄｓｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ｔＤＣＳｉｎｉｔｅｙ；ｎ；ｅ；ｃｍｏｄｅｌｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｌｅｃｔｒｏｄｅａｒｅａｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
清华大学学报（自然科学版）２Ｉ０ＳＳＮ１００００５４０１４年第５４卷第９期－／），２２２３ｓｉｎｈｕａＵｎｉｖ（Ｓｃｉ＆Ｔｅｃｈｎｏｌ０１４，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．９２ＮＪＴＣＮ１１－ｇ
］５３－。基于Ｈ中［ｏｄｋｉｎｕｘｌｅ－Ｈｇｙ方程的神经元轴突３
ｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｎｄＮｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｄｕｒｉｎｔｒａｎｓｃｒａｎｉａｌｇｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ
乏相关研究。对于影响电刺激的参数，Ｐｅｔｅｒｃｈｅｖ
１０］）治疗持续时间；总结包括：等［１２）电极个数及
）电极的大小、固定位置；形状与位置；３４）刺激峰
收稿日期：１３０１３２０２－－）基金项目：国家自然科学基金项目（８１３７２４１２，女（，山西，博士研究生。作者简介：王婕（汉）１９８８—）：通信作者：唐劲天，研究员，ａｉｌｔａｎｔａｉｌ．ｔｓｉｎｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎＥ－ｍ＠ｍｇｊｇ
１研究方法
１．１数学模型在各向同性均匀电介质中，电流在介质内的传
９］，播情况遵循电荷守恒定律，即电流连续性方程［
如式（所示。同时，内部的电流传播亦符合Ｇａｕｓｓ１）。相邻子域之间定律和Ｏ见式（和（ｈｍ定律，２）３）。联立式（ —（得到方的电流连续性遵循式（４）４）１）程组
摘要：经颅直流电刺激是一种非侵入式的脑刺激方法。为了优化电刺激中电极与刺激强度的选择，基于人体头部解剖结构，建立了４层同心球体有限元模型，通过数值计算方法，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，可增加大脑皮层与内部的电场强度比例。在实际应用中，应根据刺激脑区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流强度。该研究对经颅直流电刺激参数的选择具有一定的参考意义。）；有限元模型；数值模拟；关键词：经颅直流电刺激（ＤＣＳｔ电极面积；电流强度中图分类号：１８Ｒ３（）文章编号：００００５４２０１４０９２２５５１０１０－－－文献标志码：Ａ
２２６１
清华大学学报（自然科学版）
（）２０１４，５４９
值，即刺激电流／电压的最值；５）刺激波形。本文主要针对经颅直流电刺激中电极大小和电流强度两个参数的影响这一问题，以人体头部的几何近似模型为研究对象，分析经颅直流电刺激时大脑组织的电场分布，探讨电极大小与电流强度与电场分布的关系。
１２］－。现极的研究成果，如神经病学、精神病学等［
有的ｔＤＣＳ的刺激电极形状及治疗电流强度并无统一的参考标准，不利于生物实验的开展。考虑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，且实验存在一定的风险。随着计算科学和有限元方法的不断成熟，仿真模型和数值计算方法被广泛应用于ｔＤＣＳ的研究