基于COMSOL和NEURON的坐骨神经电刺激模型

为研究周围神经在接受电刺激时的兴奋规律,建立了坐骨神经电刺激的仿真模型。利用有限元仿真软件COMSOL对神经和卡肤电极建模并计算神经周围在外加刺激下的电场分布情况,将此电场分布信息导入到神经建模软件NEURON建立的神经模型中作为细胞外激励源,以分析电刺激下神经的电生理行为。在此模型上分析了刺激电极尺寸和间距、电刺激波形、环境温度和局部温度等参数对坐骨神经纤维兴奋性的影响,为神经功能电刺激的进一步研究及临床应用提供了理论基础。     

磁刺激中深度感应电场分布的计算

磁刺激是利用变化磁场产生的感应电场作用于可兴奋人体组织的过程.根据磁刺激感应电场理论,计算8字形和四叶形线圈刺激深度感应电场的分布.结果表明通过线圈的电流方向直接影响感应电场的聚焦性.8字形线圈电流方向相反时用于刺激大脑皮层神经效果较好,而四叶形线圈电流方向左右相反,上下相同时,刺激外周神经纤维效果较好.     

高频双向电刺激下无髓神经模型传导阻断的仿真研究

目的神经纤维异常兴奋会造成许多功能障碍疾病,因此,研究无髓神经纤维受到电刺激时动作电位的传播规律及传导阻断情况有重要的科研意义和临床价值。方法本文基于Hodgkin-Huxley模型,在高频双向电刺激下研究无髓神经纤维的阻断阈和阻断机制,并提出一种电刺激结束后轴突恢复初始状态的时间测量方法。结果电刺激下直径大的神经纤维先被阻断,直径小的神经纤维后被阻断,并随着刺激频率的增加,阻断阈在12~16 k Hz时达到峰值。阻断电极处钠离子和钾离子通道的持续开放造成神经纤维的传导阻断。电刺激结束后,神经纤维恢复初始状态的时间随着频率的增加而增加。结论本研究揭示了无髓神经纤维的阻断机制以及电刺激结束后神经纤维恢复初始状态的时间与电刺激频率的关系,这些结果将为相关动物实验和功能电刺激的临床应用提供更多的信息。     

外部电场作用下的视神经纤维兴奋性的仿真研究

基于刺入式电极的视神经视觉假体,为盲人的视觉修复提供了新的可能性。为了对该视神经假体的电刺激策略和微电极设计提供理论支持,基于真实的电极结构,在COMSOL软件中建立刺入式微电极的外部电场仿真模型,并将其与利用NEURNO软件实现的神经纤维双层电缆模型结合,系统地研究电极与视神经纤维的相对位置、电刺激脉冲宽度以及电极几何结构的改变对视神经纤维兴奋阈值的影响。不同电极位置、刺激脉宽刺激下阈值变化规律的仿真结果,与以往报道的动物实验和仿真实验结果相符,证明了所建模型的有效性。 根据仿真结果,对刺入式视神经假体中刺激脉宽的选择和电极几何结构的设计,建议如下：窄脉宽刺激有利于降低能量消耗;电极锥度的设计要在满足电极力学特性及易于植入视神经的基础上,尽可能地减小,以降低纤维兴奋的阈值;电极的暴露面积越小,纤维兴奋所需的电流阈值越低,但电荷密度阈值越高;较低的电流阈值有利于减少能量消耗,但过高的电荷密度阈值却容易造成组织损伤,因此电极暴露面积的设计需要在耗能与安全性之间进行综合考虑。电极绝缘层厚度的改变对视神经纤维的兴奋阈值没有明显的影响,但从电极插入的难易考虑,应尽可能减小绝缘层厚度。以上结果对人体其他部位神经纤维的电刺激同样具有参考价值     

由三维体积导体模型推导的磁刺激激发函数

最近我们提出用无髓神经纤维的磁刺激模型来预测神经兴奋的时间和地点。它由一个受类似干细胞外电极的电刺激激发函数影响的一维电览方程式组成。三维电场分布引起的神经刺激,其神经反应一般描述成一维电览模型,一维电览方程式的激发函数能代表被应用电场的功能。我们说明了如何协调神经刺激的一维表示和三维表示的关系及推导与两者相一致的磁刺     

对用束内电极进行多级纤维的局部神经刺激的模拟

我们给出了有髓神经纤维在束内电极的刺激下所产生的兴奋的实际定量模型。它能预测出放在束内任何位置的任意数量的电极的任何排列的刺激范围。该模型包括两部分:第一部分,用成块的电子网络来表示神经纤维并且计算出它对一个随机的细胞外电位场的响应;第二部分,假设神经纤维束和它周围的组织呈柱状,我们得到了这个电场的分析表达式。带有实际参数的该模型用于两种情况:由单个阴极进行的单极刺激和由一个特定的三极结构     

TMS线圈与EEG电极线相对位置对TMS-EEG信号的影响

通过分析经颅磁刺激线圈放电时的电场分布,探索磁刺激输出脉冲对脑电采集帽产生的伪迹信号来源。我们通过建立八字线圈感应电场分布的半无界空间数学模型,获得八字线圈感应电场的分布特性,分析磁刺激影响脑电采集回路的两种影响因素,我们用matlab软件仿真刺激线圈与脑电极线成不同角度、不同距离时产生的伪迹信号的变化趋势,通过模型试验和人体实验验证这种趋势的准确性;结果显示,脑电导线重合于线圈长轴,产生脑电伪迹最小,当线圈转动其他角度或当线圈下移时伪迹会逐渐增大,最大伪迹幅值是最小伪迹幅值的约10倍。在TMS-EEG试验中,伪迹信号的幅值、持续时间与线圈摆放位置、角度有关。通过实验前合理排布脑电极线可降低伪迹信号幅值、持续时间等参数,提高磁刺激下脑电信号特征信号提取的准确性。     

一种神经纤维电磁感应刺激的模型

本文介绍了一个用以解释神经纤维电磁感应刺激物理特性的模型。用麦克斯韦方程来予测由电容通过刺激线圈放电时产生的感应电场的分布,用一个Hodgkin—Huxley电缆模型来描述神经纤维对这种感应电场的响应。在一定的电路参数(电阻、电容和初始电压)下,当给定线圈的位置、方向和形状以后,就可以用此模型     

经颅磁刺激线圈的磁聚焦优化设计

经颅磁刺激是利用变化磁场产生的感应电场作用于可兴奋人体脑组织的过程,磁聚焦性能是经颅磁刺激线圈设计的一项重要指标。根据磁刺激线圈感应电场理论,我们设计了半圆螺线管用于经颅磁刺激,计算了其载流线圈随刺激深度的感应电场分布,并与传统的经颅磁刺激8字形线圈作比较。结果表明,半圆螺旋管线圈既继承了8字形线圈感应电场的主瓣聚焦性强的优良特性,又摒弃了其相对较大的旁瓣对浅表非靶组织的兴奋刺激的不良影响,完全达到了磁聚焦优化设计的目的,也更利于磁刺激兴奋点的定位。     

磁刺激8字形线圈的结构对感应电场分布影响

磁刺激是利用变化磁场产生的感应电场作用于可兴奋人体组织的过程.8字形线圈由于结构简单,常用于磁刺激中.故根据磁刺激感应电场理论,对8字形线圈改进了两种空间结构,计算其刺激深度感应电场分布,并与改进前作比较,结果表明扇形空间结构聚焦性好,更利于磁刺激兴奋点定位.     

外周神经在横向电场中的兴奋特性研究

传统的电缆方程和激励函数只能用于描述纵向电场中外周神经的兴奋，本研究提出一种基于两阶段过程的模型，可以描述外周神经在横向电场中的兴奋特性，结果显示径向的净内向电流是外周神经在横向电场中产生兴奋的原因，并且计算出横向电场的刺激阈值。此模型是对传统的电缆方程的补充。     

采用表面阵列电极的神经肌肉电刺激系统设计与优化

表面阵列电极在改进刺激选择性和控制能力方面具有优越性能,其中电极设计和刺激波形对于神经肌肉电刺激效果具有重要影响.针对手功能康复需求,采用大小电极触点交叉排列的表面阵列电极,对人体前臂组织实施直流阴极刺激；基于人体前臂的简化层次模型,通过有限元法仿真人体前臂组织的电场分布,使用神经纤维激励函数表征外加电场对神经轴突电活动的影响.在此基础上,选择前臂深层神经纤维激励函数的峰值和半宽度乘积之比作为靶向性能评价函数,利用粒子群算法对表面阵列电极的触点尺寸和间距进行优化设计.结果发现,当大、小触点尺寸分别为9.80和10.72 mm时,阵列电极的靶向性能最优,靶向性能评价函数最大值为11 252.68 V/m4.对比不同刺激波形作用下随时间变化的人体前臂深层神经纤维激励函数最大值,发现矩形波刺激下神经纤维激励函数最大值可达3.448 V/m2,稍高于其他刺激波形,有利于神经纤维的激活,从而为表面阵列电极设计和制定刺激处方提供理论指导.     

经颅磁刺激电场分析研究进展

经颅磁刺激是一种利用通电线圈在脑部的诱发电场来调节皮质兴奋性的技术,广泛应用于神经病学、康复学等领域。经颅磁刺激诱发电场分析与安全性、刺激效果密切相关,在优化刺激方案、线圈设计方面具有重要意义,成为相关领域的研究重点。首先介绍经颅磁刺激3种常见的临床副作用,然后阐述经颅磁刺激现有研究中的常规电场分析方法,包括解析法和数值分析法及其应用场景,并讨论与电场分析密切相关的生物模型建模方法。此外,由于磁刺激线圈与组织中电场分布的密切相关性,介绍常规的刺激线圈结构类型,并结合磁刺激线圈的7种典型设计,分析基于有限元分析的球模型下的电场分布特征。最后,展望经颅磁刺激电场分析研究未来的发展趋势。     

生理学中电场问题的解法

计算由已知体积的导体内部电源产生的电势分布。一、引言当应激细胞,如象:心脏细胞、光受体细胞、肌肉和神经细胞受刺激时,它们就产生可测的电场,这些细胞在原位产生的电场是电生理中很有兴趣的课题,因为它们能使我们在不使细胞本身产生任何损伤的条件下来量度很多现象。电场可用无创性的方法测量。正如通常在心电图术和眼电图术中所作的一     

基于三层球模型弱直流电刺激下脑白质各向异性对电场分布的影响

目的研究脑白质的各向异性电导率对经颅直流电刺激产生的电场分布的影响。方法依托经典三层同心球模型,通过基于有限元法的ANSYS软件建模,并求解头模型的电场强度、电流密度分布及初级皮质运动区的关键点数值。结果随着脑白质各向异性电导率的比率、空间分布不同,头模型中电场强度和电流密度的分布产生了较大区别。结论仿真结果说明脑白质各向异性对电场分布有显著影响,对临床应用有重要的借鉴意义。     

采用表面阵列电极的人体前臂电刺激仿真研究

表面阵列电极在改进刺激选择性和控制能力方面具有优越性能,而触点大小和间距是对刺激范围和深度影响最大的因素。针对手功能康复需求,在建立前臂同心圆柱层次模型的基础上,利用有限元仿真得到直流阴极表面电刺激下前臂组织内神经纤维的胞外电势分布,采用神经纤维激励函数表征外加电场对神经轴突电活动的影响。通过仿真研究不同触点尺寸和排列方式的阵列电极设计,采用激励函数峰值和半宽度评价刺激效果。结果表明,当阵列电极触点尺寸由12 mm增大到14 mm,间距由6 mm减小到2 mm时,被激活的靶组织区域面积增大了169.36 mm2,使得刺激选择性变差;而大小触点交叉排列的结构设计能使激活的靶组织区域面积减小至少89.52mm2,有助于提高刺激选择性能,从而为表面阵列电极的优化设计提供理论指导。     

脊髓硬膜外电刺激的数学模型

为研究直接脊髓神经电刺激下场的分布规律,构建尽可能模拟脊髓在电刺激作用下的数学模型,本研究将硬膜外电刺激下的脊柱理想化为圆柱,理论推导了点电流源刺激下脊髓及被膜组织中场的分布模型,并利用Matlab对模型进行模拟,分析了刺激电极下电位场和电流密度场的分布规律。结果表明直接脊髓电刺激对脊髓神经通路的作用是局部的而非整体刺激,刺激的范围受电极摆放位置的影响,这将对直接脊髓刺激在临床中的正确使用起到理论指导意义。     

束内与外部神经刺激的模拟

模拟神经刺激被用于功能神经肌肉刺激植入系统中,控制协调骨骼肌群的运动,从而获得功能性的肢体运动,改善脊髓受伤病人的状况。为此研究运动神经的兴奋与肌张力之间的关系是非常必要的。本文介绍了一种神经刺激的模型,该模型以一种模拟的算法来描述肌肉的收缩及随后的等长肌张力。在这里采用多兴奋参数的慨率分布来描述神经纤维的兴奋。当神经内部在受刺激神经的容积传导模型中引入了神经的非均匀性及各向异性,并将神     

脑部磁刺激磁场和感应电场的初步研究

作为脑部磁刺激研究的一项基础工作，本文建立了刺激磁场中的球形头模型，对方形线圈在其内产生的时变磁场和感应电场进行了理论研究。导出了Ｂ，Ｅ，Ｊ的解析表达式，分析了场的特性和刺激强度的分布规律。为进一步探索时变磁场对人脑的最佳刺激方式和作用机理提供了初步的理论基础。     

横向电场作用下外周神经兴奋特性的实验研究

传统的外周神经电缆方程只能描述纵向电场刺激下外周神经兴奋,实验发现在脉冲磁场诱导的横向电场作用下也可使神经兴奋,从而揭示出需要进一步对感应电场兴奋外周神经的机理进行研究。本文研究了横向电场作用下外周神经的兴奋特性,以在体的人体正中神经为例研究了横向电场作用下外周神经兴奋点的位置、刺激阈值、及刺激阈值与纤维半径的关系,以离体的蟾蜍坐骨神经为例研究了刺激阈值与作用时间的关系。实验结果验证了改进的电缆方程的有效性。实验研究成果有助于磁刺激技术的进一步发展与应用。