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。     

面向生物控制的鲤鱼脑组织及脑电极三维重建

为了给鲤鱼机器人脑电极准确植入进行定位导航,本研究拟建立脑结构及脑电极三维立体模型。借助脑立体定位仪将钨电极植入鲤鱼小脑,通过离水电刺激实验和水下控制实验发现脑运动区并获取其三维坐标值,应用3.0 T磁共振成像仪对颅脑及电极成像,应用3D-DOCTOR和Mimics软件进行三维重建。结果显示,所发现的脑运动区及坐标值是准确的,构建的脑组织及脑电极三维重建图再现了脑立体结构,可观察到脑电极与脑组织、脑组织与颅骨表面的相对空间位置关系;通过构建的脑组织三维重建综合显示图,可观察到三维重建的脑组织在磁共振图像中的解剖位置,以及脑组织与颅骨表面的相对空间位置关系。本研究所构建的三维重建模型可为脑电极植入提供定位导航工具。     

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。     

基于有限元法的硬脑膜外视皮层电刺激仿真研究

经硬脑膜对视皮层电刺激是治疗失明的新思路。为从理论上认识其作用机制,首先建立视皮层区域的有限元仿真模型,分析脑组织内电场分布,并用激活函数和组织活化区来表征外加刺激的作用效果;随后逐次改变单相脉冲的幅值、脉宽和频率,通过基波作用下组织活化区的变化来探讨不同刺激参数对结果的影响。仿真结果显示,经硬脑膜可以实现对视皮层的有效刺激,只是所需刺激强度比直接皮层刺激约高30倍;多电极刺激模式下,只要电极间距超过5 mm,电极间的影响可忽略不计;降低幅值、脉宽和频率等参数,可以改善单相方波脉冲的刺激效果,其中幅值的减小对空间分辨率的提高效果最为显著。所得结论对实验具有一定指导意义。     

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     

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.     

基于数值仿真方法的体外除颤电极配置分析与优化

体外电除颤器的电极配置（位置、大小、形状）直接影响着除颤效果的好坏,合理的配置模式能降低高压电刺激对皮肤和心肌的损伤、减轻患者的痛苦、提高除颤急救的成功率。运用数值仿真方法,初步研究了多种电极配置模式下（24种电极对位置、4种电极面积及3种电极形状）体外电刺激在心脏区域的电场分布情况,获得了电场分布均匀度（UNIF）、除颤电压阈值（DFT）、能量效率（EFF）等统计分析结果。结果比较显示,右上前胸-左下侧胸电极对位置、大小133cm2、形状为椭圆的电极配置方式的除颤效果最佳,优于先前报道的左前胸-右后背式圆形电极对配置模式,更适合体外电除颤的临床应用。     

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。     

基于头部组织不同电导率特性的阻抗成像正问题仿真研究

目的 通过建立5层有限元真实头模型,研究了各层组织非均质和颅骨、脑白质各向异性电特性对电阻抗成像问题中电磁场分布的影响.方法 对头部各组织建立4种电导率分布模型:均质分布、非均质分布以及颅骨和脑白质各向异性电导率模型;通过正问题数值求解得到不同模型下的磁场分布和电场分布,并通过定量的统计分析研究非均质和各向异性电导率特...     

乳腺电阻抗成像非均匀介质电场的初步分析

目的：在验证旋转电极法对乳腺电阻抗断层成像的方法的可行性之后，进一步对非均匀电场分布进行分析．为此后的成像算法修正提供依据，以便能获得更接近实际的阻抗分布图像。方法：基于EIT实验平台，利用NaCI溶液模拟均匀介质，铁棒模拟引入到均匀介质中电导率不同的非均匀介质，研究铁棒在NaCI溶液中不同位置对其电场分布的影响。结果：得到铁棒在NaCl溶液中的轴对称位置上对中间测量电极下的电流值影响及铁棒在NaCl溶液中不同的位置对中间测量电极的电流值影响。结论：在研究电导率不同的铁棒对均匀介质NaCl溶液电场影响的实验中，该实验结果为下一步对成像算法的修正及提高重建的图像的分辨率提供了指导。     

螺旋袖套电极胞外刺激视神经的电场有限元分析

为了研究电极与神经作用机制,优化电极设计和指导假体的应用,有限元方法用于分析螺旋袖套电极刺激视神经产生的电场空间分布。建立了圆柱形的视神经模型,并考虑电极结构和脑脊液(CSF)厚度变化对刺激效果的影响。选择合适的网格剖分和边界条件,应用COMSOL Multiphysics有限元软件,计算电极的三维电场。结果表明,在相同的刺激条件下,纵向三电极结构比双电极结构(电极分别位于神经干对侧)的电流密度值要大,但双极结构所需引线少,植入简单,易于临床应用。应用参数扫描的方法仿真表明,由于CSF层的电导率比其他组织大,随着CSF层厚度增加,电极电场分布范围更大,但对电流的散射阻碍使神经刺激效果变差。     

心肌细胞电脉冲作用下电场分布仿真结果与分析

目的 细胞电脉冲刺激仿真是研究心脏电脉冲消融的一种仿真方式，本文建立椭球形细胞电脉冲刺激仿真模型，模拟心肌细胞受到电脉冲刺激下的情况，研究电场入射方向和细胞长度对其电场分布和跨膜电位的影响。方法 通过COMSOL5.5软件进行仿真，以球形细胞模型为基础，在边长60μm的立方体空间中建立椭球形细胞模型。于垂直于Z轴的两面施加2.4 V电压，用以模拟心肌细胞在外加匀强电场作用下的电压分布情况。改变脉冲电场与细胞长轴的夹角，研究0°、30°、60°、90°的不同电场入射角度对心肌细胞电压分布和跨膜电位的影响。保持入射角为0，研究跨膜电位最大值与细胞长轴直径的关系。结果 对于椭球形的心肌细胞，电场的入射角从0°增大到90°时，跨膜电位从1.068 V减小至0.373 V，同时最大跨膜电位的位置也发生改变。入射角为0°时，跨膜电位最大值V与细胞长轴直径D的线性回归方程为V=81.191 6+38.607 9D,r²=0.998 1。结论 电场入射角越大，细胞跨膜电位越低；细胞长轴直径越长，跨膜电位最大值越大。该研究对后续心肌细胞电脉冲刺激实验及心脏电脉冲消融的临床试验具有参...     

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。     

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     

经颅磁刺激和脑电联合作用时电磁场分布的仿真研究

目的：研究分析经颅磁刺激和脑电（TMS-EEG）联合作用时磁感应强度和感应电场强度的分布情况。方法：利用有限元多物理场仿真软件COMSOL，搭建3层同心球人头模型、TMS线圈模型和EEG电极模型，在TMS线圈的作用下，对比分析了有无脑电极时，人头模型当中磁感应强度和感应电场强度的不同。结果：取头部组织几个特殊位置点，放置脑电极后，各点处磁感应强度和感应电场强度均发生变化，磁感应强度最大变化达19.19%，感应电场强度最大变化达75.33%。添加脑电极后，人体头部组织YZ纵切面的最大磁感应强度降低7 mT，最大感应电场强度值降低0.6 V/m。大脑处的三维磁感应强度和感应电场强度均随着深度的增加而逐渐减小，放置脑电极后，脑组织中的最大磁感应强度值减少1.4 mT，最大感应电场强度值减少0.13 V/m。结论：经TMS-EEG联合作用时，在人头皮处放置脑电极会对电磁场的分布产生影响，间接影响TMS的治疗作用。     

一体化多电极电阻抗断层成像数据采集系统设计

非均匀与均匀介质电场的空间分布在边界条件上的关系是影响旋转电极EIT成像分辨率的因素之一。为此设计了一种8层共1 024电极的电阻抗断层成像数据采集系统。该系统采用一体化设计方案,8层PCB层叠结构,用排针、排母进行物理支撑和电气连接,最大限度地减少了引线对信号采集的影响。PCB工艺形成的电极具有数量多,分布均匀,在不同旋转方向上形成的电场一致性较好的特点。系统采用在FPGA中构建NIOS II软核处理器进行整体控制。结果表明,系统物理模型所形成的介质电场均匀,从不同旋转角度上实测的电场分布的其一致性较好;电场分布和数据采集的结果达到设计要求。     

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。     

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     

基于真实解剖模型的心脏导管射频消融有限元仿真

利用有限元方法对心脏导管射频消融过程进行仿真,并对消融区的温度分布和损伤尺寸进行估算是当前研究的热点。目前绝大多数研究都集中在对简单模型的仿真,没有考虑到真实心脏的解剖结构,然而消融的结果与射频电极插入处的心脏形状密切相关。为研究心脏解剖结构对消融结果的影响,本研究提出利用真实病人的CT心脏数据进行有限元分析。首先,利用获取到的心脏内壁的结构网格,构建更接近真实环境的模型,同时支持电极插入位置和接触模式的任意设置。然后,通过Matlab调用COMSOL脚本语言进行生物热传导的有限元仿真分析,采用Pennes热力学方程并使用50℃作为损伤界定标准,获得消融区的温度分布和损伤尺寸的仿真结果。仿真结果发现:由于心脏结构的不规则导致损伤区域的轮廓并不完全对称,消融损伤区域的尺寸随着电极偏转角度和深度的变化而不同,其大小与电极偏转角度和插入深度正相关。这些发现表明,本研究所提出的方法可根据心脏结构估算特异性的损伤结果。     

基于硅基电极的脑组织微动损伤仿真

目的:为预测脑组织微动损伤和解决植入电极的长期寿命问题,本研究基于硅基微电极进行建模,并对神经电极-脑组织有限元模型进行数值仿真。 方法:采用超黏弹性模型描述脑组织材料,研究不同微动模式（纵向和横向）、不同物理耦合度下电极附近脑组织应变分布。 结果:纵向载荷分析显示当摩擦系数?增加时,脑组织最大von Mises应变呈降低趋势,并且电极尖端附近的组织应变最大,这表明电极与脑组织之间的物理耦合度对脑组织微动损伤有较大影响。增强电极和脑组织间的黏附程度,可以有效减小脑组织损伤。电极尖端的形状也极大地影响着组织的应变大小。横向载荷分析显示X轴方向的载荷产生的脑组织损伤区域大约为60 ?m,这表明电极之间的间距应大于60 ?m,否则不同电极产生的组织应变会发生重叠,这对于电极之间理想间距的设计和防止重叠应变形成多余的细胞鞘有着重要的意义。 结论:数值仿真模型可以为电极-脑组织界面参数和电极间距设计参数提供参考,从而减少组织损伤,提高电极工作寿命,满足临床应用。