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基于真实头模型的经颅磁声电刺激感应电流密度仿真分析.docx
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基于真实头模型的经颅磁声电刺激感应电流密度仿真分析.docx
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近年来脑功能疾病如抑郁症、痫病和帕金森病的发病率逐年上升。据世界
卫生组织统计,我国患有神经类疾病的人群数量位居世界第一,给社会和国家带
来了沉重的负担
[1]
。此外,随着社会经济的高速发展,巨大的生活和工作压力增加
了诸如抑郁症和自闭症等精神类疾病的发病率。因此,深入开展脑功能探索和
发展相应的治疗技术犹为迫切
[2]
。
在诸多治疗手段中,无创脑调控技术以安全、无痛、操作可重复等优点获
得了越来越多的关注和认可。常见的几种无创脑调控技术有:经颅直流电刺激
(transcranial Direct Current Stimulation,tDCS) 、 经 颅 磁 刺 激 (Transcranial
Magnetic Stimulation,TMS) 、 经 颅 超 声 刺 激 (Transcranial Ultrasound
Stimulation,TUS) 以 及 经 颅 磁 声 电 刺 激 (Transcranial Magnetic-Acoustical
Electrical Stimulation,TMAES)。其中,TMS 和 tDCS 已被应用于神经性疾病的
治疗,但由于二者存在空间分辨率低(cm 级)、激深度不足等缺点,其在临床上的
应用受到了限制
[3,4,5]
。TUS 是一种使用低强度的超声波作用于靶组织来调控神
经元放电的技术。超声波具有良好的穿透性和较高的分辨率
[6,7]
。TUS 被证实
可以用于皮质组织,且有用于深度刺激大脑神经的潜力。但是由于超声有引发
热效应导致靶点组织损伤的可能,因此需要在安全性层面进行探索
[8]
。
TMAES 是在上述神经调控手段的基础上发展出的一种新型神经调控技术。
该技术使用低强度的超声和静磁场共同作用于神经元,通过磁声耦合效应产生
感应电流从而调节神经元的放电活动
[9]
。TMAES 不仅有与 TUS 相当的高空间
分辨率和穿透深度,且其形成有效刺激的空间峰值时间平均声强阈值较 TUS 而
言更低(降低约 80%)
[10]
,因此 TMAES 具有更好的安全性。
2003 年,文献[11]提出了无损伤的超声组合磁场的神经刺激设想。2006 年,
研究人员在静磁场中放置了导电凝 胶,向其施 加超声信号,检测到了感应电流,
并将其与超声回波进行频谱分析,得出了两者中心频率一致的结论
[12]
。2015 年,
文 献 [13]对 导 电 样 本 进 行 了 磁 声 耦 合 的 初 探 ,证 实 了 磁 声 电 刺 激 的 可 行 性 。
2016~2017 年,文献[14]研究了基于 Hodgkin-Huxley 神经元模型的经颅磁声刺
激的放电活动;文献[15]探究了经颅磁声刺激作用下的神经元放电频率适应性。
2018 年,本课题组研究了基于 Izhikevich 神经元模型的 TMAES 对快放电和常
规放电神经元的影响
[16]
。
但是,以上研究均未考虑人体头颅的几何结构和声学非均匀性对 TMAES
的影响。使用真实头模型研究 TMAES 对于获得精确的颅内声场分布和感应电
流密度分布有着重要意义,有助于深入了解影响刺激效果的因素。因此本文首
先构建了三维真实头模型,然后对其进行 TMAES 的仿真分析,获取在平面超声
换能器的作用下采用不同刺激参数所得到不同的感应电流密度分布,旨在探寻
TMAES 刺激效果和超声频率之间的关系。
1 实 验方法
1.1 TMAES 原 理
生物组织中含有带电离子,将其置于静磁场中,沿着垂直磁场的方向施加超
声波,生物组织内的带电离子就会产生振动。在洛伦兹力的作用下会发生正负
离子分离,从而产生感应电流,达到电刺激的目的。磁声电刺激的原理如图 1 所
示。
图 1
图 1 磁声电刺激原理
Figure 1. Principle of TMAES
带电离子受到洛伦兹力为
F=qv×B
0
(1)
式中,F 为洛伦兹力;q 为带电粒子的带电量;v 是粒子振动速度;B
0
是静磁场
的磁感应强度。生物组织产生的感应电流密度为 J,计算式如式(2)所示。
J= σFq
(2)
将式(1)带入式(2)中得
J=σv×B
0
(3)
其中,σ 为生物组织的电导率;P 为该粒子所处位置的声压。超声在该介质
内的传播速度与 c
0
存在如下关系
v= Pρc0
(4)
因此,生物组织在 TMAES 的作用下产生的感应电流密度如式(5)所示。
J= σPρc0×B
0
(5)
1.2 超声传播 特征
超声波传播路径当中任意一点的声压都可以使用 Helmholtz-Kirchhoff 积
分定理计算,计算式如下
P(r)=-iωρ
0
V∫∫ρ<aeikR2πRdr'
(6)
其中,ω 为角频率;ρ
0
为超声传播介质的密度;V 是超声换能器的振幅;k 为所
求点超声波周期数;R=|r-r'|;ρ 为向量的模,积分区域是声源的范围。令 Vρ
0
c=1,
可简化超声传播路径轴线上的声压大小的计算。取声压 P(r)的绝对值作为因变
量,超声在传播轴线上的声压分布如图 2 所示。
图 2
图 2 声压轴向分布
Figure 2. Distribution of acoustic pressure along axis
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