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多通道经颅电刺激仿真分析及硬件设计的研究 摘要 经 颅 电 刺 激 是 一 种 在 人 体 的 头 部 施 加 合 适 的 电 压 或 电 流, 在 整 个 头 部 或 者 局部 产 生 电 场 或 微 电 流 , 进 而 影 响 脑 组 织 内 的 神 经 兴 奋 性, 改 善 神 经 传 导 功 能 的 技术 。 能够 治疗 或者 辅 助 治 疗 某 些 头 部 的 疾 病 以及 神 经 性 和 精 神 性 疾 病 。 但 是 , 对于经颅电刺激的研究 (如刺激电流 的大小, 聚焦深度) , 必须考虑绝对的安全性和可 靠 性 。 所 以 必 须 寻 找 一 种 可 以 替 代 实 际 刺激 的 方 法 , 从 而 达 到 与 真 实 情 况 比 较接近的结果。因此,经颅电刺激 的有限元分析和计算应运而生。 根据本文的研究目标和研究的 立意。在本文中,基于 CT 的影像数据,利用MIMICS 将人体头部的三维模型 重建出来。而后,再利用 Geomagic Studio12.0 强大 的 逆 向 功 能 ,对 头 部 模 型 进 行 了 光滑 、 去 噪 等 相 应 的 处理 。 从 而 , 得到了 接近真实的头部三维面模型。 最后, 将 模型输入到 ANSYS 生成头部 各层组织的实体三维模型, 再结合不同尺寸和形状的电极片 , 针对分离出的头部 运动皮层三维模型,进 行 经 颅 电 刺 激 聚 焦 深 度 和 最 佳 刺 激 参 数 (如 刺 激 电 流 、 频率 )的 分 析 和 计 算 ,探索聚焦深度与电极形状及尺寸 和刺激参数之间的关系。 在 经 颅 电 刺激 有 限 元 分析 和 计 算 的基础上 , 结合 实验 的 需要 , 同时 基于 学习的目的。本文中采用具有 Cortex-M3 内核、32 位的 STM32F103ZET6 单片机,设计了一款操作简单、 智能化的电刺激设备。 该设备能够产生 0.1Hz-5MHz 可调的正弦 波 、 方 波 、 锯 齿 波 , 可 实 现 两 个 独 立 控 制 通 道 的 耦 合 输 出 。 通 过 软 件 编 程 , 该设 备 具 有 丰 富 的 参 数 设 置 与 显 示 功 能 。 再 通 过 配 备 不 同 的 电 极 , 可 以 使 电 刺 激 设备 进 行 电 流 与 电 场 治 疗 模 式 切 换 : 导 电 电 极 用 于 电 流 治 疗 , 绝 缘 电 极 用 于 电 场 治疗。 通过 最 终 的 调 试 及 验证 , 该 电 刺 激 设 备 输 出 的 基本 频 率 范 围 在 0.1Hz5MHz之间 ,其 调节 的 精度 大约 为 2% 。 而 且, 使用 的 时候 稳定 可 靠, 基本 满 足最初的设计需求。同时,也满足医疗器械 相关的电气安全标准。关键词:头部实体三维模型,有限元分析 计算,信号发生,宽频 ,连续可调IABSTRACT Transcranial electric stimulation is a technique which voltage or current is delivered at humans head, then leads to the electrical field or micro-current in the whole head or local head, can affect the neuron excitability in the brain tissue and improve nerve conduction function. This technology can be an auxiliary treatment for neurogenic and spirituality diseases of head finally. However, absolutely safety and reliability must be considered for transcranial electrical stimulation study such as stimulation current size, focus depth. So a method which replaces the practical simulation need be found and can archive more proximate results than the real simulation. Thus, transcranial electrical stimulation finite element analysis and calculation are more suitable for the research As the study content of this project, in this paper head real 3-D model was reconstructed with CT images through MIMICS, and head model was post-processed by utilizing Geomagic Studio powerful reverse function, so more real 3-D shell model of person head was obtained. At last, the shell model was imported to ANSYS and converted to head entity 3-D model, then proceeded to analysis and calculation of transcranial electrical stimulation focus depth and simulation parameters with different size and shape electrodes according to the separated head motor cortex 3-D modelThough this method, the relationship between electrode shape or size and focus depth can be found Based on the theory research, combined with practical need and study objective. A simple operation and intelligent electrical instrument had been developed through utilizing 32-bit STM32F103ZET6 with Cortex-M3 core. This instrument could generate adjustable sine-wave, square-wave, sawtooth-wave, can realize two independent control channels coupling export. The instrument owns rich parameters setting and display function by software programming. And then the electrical simulation instrument could exchange electrical field and current treatment mode mutually through different electrode configuration: conductive electrode for current treatment, and insulated electrode for electric field treatment. Through final debugging and verification, the electrical equipment export frequency basic range is 0.1Hz to 5MHz with the accuracy of 3%, and when running, can keep stably and reliably, it had been content with IIelectrical safety standard related to medical instruments Keyword: 3-D Real Head model, Finite element analysis & computation, Signal generation, Board-band, continuously adjustableIII 南昌航空大学硕士学位论文 目录 目录 摘要 I ABSTRACT. II 目录 IV 第一章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 电刺激疗法. 2 1.2.1 电刺激治疗的概述 2 1.2.2 电刺激治疗作用的机制 4 1.2.3 电刺激治疗对人体机能的影响. 5 1.3 国内外研究的现状及进展. 6 1.3.1 经颅电刺激的现状和进展 6 1.3.2经颅电刺激电场的研究现状和进展 7 1.4 本课题研究目标及研究结构11 1.4.1 研究目标 11 1.4.2 研究结构12 第二章 电场及其有限元分析的理论 14 2.1 电场理论基础. 14 2.2 有限元分析计算的理论 15 2.2.1 有限元分析方法简介 15 2.2.2 有限元分析计算的基础16 2.2.3 有限元分析计算的步骤18 第三章 头部各组织实体三维模型的构建. 21 3.1 头部各组织的三维模型构建 21 3.1.1 头部组织分层三维模型的建立22 3.1.2 头部各层组织的三维有限元模型. 26 3.2 头部各组织三维模型的实体化及组装 31 3.2.1 头部各组织三维模型的实体化31 3.2.2 头部四层模型的组装 33 3.4 本章小结 34 第四章 不同电极形状及定位的头部电场(流)分析35 4.1 同样刺激参数不同电极组合的电场(或电流密度)分析. 36 4.2 同种电极组合不同刺激参数的电场(或电流 密度)分析. 41 第五章 多通道经颅电刺激设备的硬件设计 47 5.1 电刺激设备的设计思路 47 5.1.1 设定波形的频率范围及精度 47 5.1.2 电刺激设备的控制要求48 5.2 电刺激设备整体的结构设计. 48 IV 南昌航空大学硕士学位论文 目录 5.3 多通道经颅电刺激仪的硬件设计49 5.3.1 信号发生模块的电路设计. 49 5.3.2 单片机控制电路的设计54 5.3.3 显示器的控制及设计 57 5.3.4 电源模块的设计58 5.4 电刺激设备软件的设计 59 5.4.1 电刺激设备的整体程序流程图59 5.4.2 小结. 66 5.5 多通道经颅电刺激设备的电气安全设计66 5.5.1 硬件系统的安全性设计66 5.5.2 程序安全性的设计. 67 5.6 设备的调试和验证67 5.7 本章小结 69 第六章 总结和展望. 70 6.1 本文总结 70 6.1.1 主要的工作. 70 6.1.2 论文的成果和创新点 71 6.2 工作展望 71 参考文献. 73 发表论文和参加科研情况 79 致谢 80V 南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 引言 经颅电刺激 (Transcranial Electrical Stimulation ,TES ) 技 术就是利用 电压或流 (直流或者 交 流 )发生 设 备 产 生电 压 ( 流) , 通 过 电极片 直 接 与刺激 对 象 的 头部 表 皮 接 触 , 从 而 产 生 的 电 场 或 者 注 入 的 电 流 可 以 改变 神 经 元 膜 表 面 的 电荷分布, 进而影响 神经递质的释放 。 最终可以改变神经 兴奋性, 改善 刺激对象的大脑功能。 至少 2000 多年前,医生就开始 使用电鳐鱼的放电,进而 改善神经功能来缓解疼痛。 后来,也有不少的研究者 或者医生利用微电流刺激来缓解一 系列疼痛。而后在 1949 年前苏联专家将经颅电刺激技术 用于焦虑及睡眠 的治疗,并且取得了良好的 效果,证明了电流对 人的 大脑及其神经功能的影响。 特别是现在随着人生活节奏的加快, 生活压力的增大, 越来越多的 人们受到1 2各种精神 性 和神经性 问 题的困扰 。 如神经性 疾 病,像抑 郁 、精神分 裂 、强 迫3, 4症等疾病 ;精神性疾病,如老年痴呆症、肌张力障碍、抽搐、口吃、耳鸣 、5 6僵直、癫痫 等疾病, 以及像中 风 后失语 、 中风后手 功 能障碍等 功 能障碍性疾病。 而目前这些疾病的治疗方法主要有激素治疗、 药物治疗、 心理治疗中医治疗以及其他相应的治疗方法, 但是这些治疗法都是一些很传统的保守治疗方法, 它们有着本身的局 限性,比如治疗周期长、能根治易复发、而且治疗时副作用大 ,周期长,同时给病人带来很大的痛苦。 所以, 面对越来越多的这些 神经性和精神性问题, 许多专家学者在这些领域的研究越来越多, 希望寻求一种 疗效好, 副作用小, 见效快的物理治疗方法。 由7 8, 9此 , 经 颅 电 刺 激 的 技术 应运而生 。 从最 开 始 的 有创 经颅 电刺激 到 现 在 无 创10的电刺激技术 , 众 多 研 究 者 和 专家 , 已经或者正在 从事 经颅电刺激治疗某些11精神性或神经性疾病的临床研究 , 且获得了一定的成果 。 哈佛大学 的公共卫生学院针对 Alpha-Stim 微电流刺激仪(美国国际电医学设备公司)的治疗效果进行了相关 的 分析 和 研 究 : 对 89.67% 的 抑 郁 症 患 者 具 有 明 显 作 用 ; 改 善 了 大概1293.70% 的 失眠患者的睡眠质量 ;约 79.62% 的焦虑者得到了抑制 。由此,更证明了与传统的 其他刺激方式相比 ,经颅电刺激具有以下四方面 特点: 1 南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论(1 ) 电刺激 使 用 过 程 舒 适 安全 。 电 刺 激 技术 被 应 用 于 临 床 治 疗 以 来 ,对人们的疾病康复起到了 极大的 作用。 现在, 很多的医院的 ( 神经) 康复科都有电刺激相关的物理 治疗方案, 而且只要使用得当 , 可以是病人尽快的康复, 同时很少有副作用 的报告出现。 另外, 电刺激 设备也作为医疗保健产品进入了普通人的家庭, 方便人们在家庭中使用。 (2 ) 电 刺 激 技 术 直 接 接 触 人体 皮肤 进 行 刺 激 , 所以 只 要 定 位 准 确 , 可以直接对病变部位进行刺激。 我们可以根据所需的刺激强度和聚焦深度来设计相应的电极, 就可 以对人体头部的不同区域进行定位 和刺激, 同时达到不同的聚焦深度, 直达 病灶。 (3 ) 电刺激 作 为 直 接 接 触 的 刺 激 , 受 外 界 影响 小 , 而 且 已 于 重 复 操作 。而且设计的刺激仪器可以便携化 , 刺激对象可以随身携带, 机动性较强 。 (4 ) 以 电 刺 激 技 术 设 计 的 设 备 , 工 艺 相 对 简 单 , 而 且 成 本 低 。 相应的 治疗费用也很低,适合大众 安全使用。 1.2 电 刺 激 疗 法 1.2.1 电 刺 激 治 疗 的 概述 电刺激疗法 就是使用人造电场 (外加电场) 施加在人体的经络, 穴位以及病变等部位 , 进而治疗或者防治 某种 疾病的方法。 这是一种简单 且直接有效的、 科学的物理 治疗方法。 最近 几年, 电刺激疗法得以在 医疗领域得到迅速的发展和应用, 主要是因为电刺激疗法适应症 广泛, 治疗效果显著, 而且 具有无创、 无疼痛、 安全可靠、 方便易操作 、 副作用小、 经济实惠等特点, 是一种 很值得广泛推广的新型的物理治疗疾病的 方法。具体来说,电刺激疗法 具有以下特点: (1 ) 适应症广泛在使用各 种 类 型 的电 场 或电流 治 疗 一 些 疾病 的 时 候 , 以 其 广 泛 的适13 14应症。 不但在神经性疾病 和精神 性疾病 , 具有大量的适应症和适用15范围。 同时 在康复治疗 以及对内 脏某些疾病 (如慢性 胰 腺炎、 肿瘤 等 )16的治疗 , 也有不少的 使用。所以说,目前电刺激已经 被广泛用于疾病的治疗和预防。 (2 ) 治疗效果良好电 刺 激治 疗 方 法 可以 治 疗 的 疾病 种 类 广 泛, 而 且 发 展较 快 。 对 于 很2 南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论多 疾病 , 电刺 激 都 具 有良 好 治 疗 效果 。 同时 ,对于 某 些 疾病 的 治 疗效果会很明显,甚至也有可能 达到完全治愈的效果。 (3 ) 治疗过程舒适在 进 行电 刺 激 治疗时, 被 刺 激对 象 或 者 患者 基本 没 有疼 痛 感 和 不适感 ,而且 没有 任何 的 损伤 , 所以 容易 被 患 者 接受 和使用 。针 对 经 络 ,和穴位进行 电刺 激 治 疗 时,不像 传 统中 医 针 灸 针刺 那 样 , 需要 刺 破 皮肤 进行 治疗 。 因此 , 对 于 患某 种 疾 病 需要 进 行 针 刺治 疗 的 病人, 有 时 候就可以 利 用 电 刺激 进行 具 有针 对 性 的 治疗 , 所 以 该方 法 比 较 适合 怕 针 刺疼痛的 患 者 和 病人 。 即 使 极个 别 人 在 能接 受 电 刺 激治 疗 的 时 候, 偶 尔 出现某种 不 适 的 现象 , 则 可 以通 过 降 低 电刺 激 的 频 率或 者 电 流 , 或者 停 止电刺17激作用,则产生的不适反应就会消失 。所以 说电刺激是一种具有良好18生物安全性 的物理治 疗方法。 (4 ) 兼治多种疾病电刺激疗 法 属 于 物理 治 疗 的 范畴 , 而 电 场是 一 种 物 理治 疗 的 因 素。一般的 物 理治 疗 方法 在进 行 治 疗 的同 时 , 很 多仅 仅 是 针 对一 种 疾病。但是 ,电刺激 治 疗 与 其 他物 理 治 疗 方法 不 同 之处在于 : 电 刺激 有时 可以对19, 20多种疾病进行治疗,如 电刺激 可以预防老年痴呆和中风 。同时,也可以 对 脑 部的 肿 瘤 进行相应的 治 疗, 如 脑 胶 质瘤 , 这样 ,不 但 神 经性疾21, 22病可以得到预防和治疗,同时脑部 的实体性肿瘤 也可以通过施加在23, 24脑部的局部电场也可以 得到相应的治疗 。 (5 ) 操作便捷电场 (或 电流) 刺激 的疗法 不仅 可以 在 医院进行使用 。 同时 , 也可以不 在 医院的科室里面 就 可 以 利 用电 场 ( 或 电流 ) 进行 疾病 的 治 疗 。在医生 的指导下 , 将 电 刺激 仪 器 的 电极 片 贴 于 穴位 或 者 相 应的 病 变 部 位,就可以 进 行治 疗 。 或 者使 用 相 关 的电 刺 激 设 备后 , 定 时 与医 生 联 系 ,反映 具 体 的 使用 情况 , 就 可 以 不 用 每天 去 医 院 进行 治 疗 。 而是 可以 一边进行 学 习 或 者工 作 , 一 边进 行 治 疗 , 就 可 以 节 省医 生 和 患 者 双方的 很 多时间。 另外, 就是大多数 电刺激设备都比较小、 价格合理 , 而且操作 简单,所以很多 患者 或 者 家 庭都 可 以 负 担得 起 , 再 通过 简 单 的 操作 学 习 , 就可以自己或者在家人的帮助下 进行操作和反复使用。 (6 ) 电刺激治疗的双向性在 很 多的 物 理 治 疗方 法 中 , 存在 某些 物 理因 素 的 作 用具 有 一 定 的双向 性 , 比 如有 的 物 理 因素 会 有 抑 制作 用 , 而 且同 时 也 具 有兴 奋 作 用。但3 南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论是 , 必 须 在一 定 的 条 件下 , 使 用 的电 场 ( 或者电流) 不同, 或 者 电极片的 放置 位 置不 同 , 从 而会 产 生 两种完全不同的作用 ,比如外加电场(或者 电流) 可以 改变 一些 神 经 元 的 兴奋 性 , 但是也可以降低某些 神 经元的兴奋阈值。 1.2.2 电 刺 激 治疗作用 的机制 电场 (或者电流) 存在于所有 具有生命的生物体内。 同样的, 人体内也有 一定的 电场(或者 电 流) , 现在 我们已经发现 在人 体 的 大脑、 心 脏 、神经 纤 维 等 各种组织和细胞 有电场 (或者电流) 的存在。 在最近几年来, 由于现代电学和生 物25学的发展,应运而生了电生理 或者生物 电学 这门 新兴 的边缘学科 。 同时 , 相关研究已经 证实了带电性的物质 和电场 (或者电流) 对生物体的生理 机能可以产生一定的影 响和作用, 该作用和影响 就叫做生物的电效应。 这种 生物电效应是因为生物体内存在一定的电解质和带电粒子, 同时这 些电解质和带电粒子随着生物体的新陈代谢进行 相应的运动和改变, 从而形成了生物的电效应。 相应的科学研究已经证实 , 带电粒子和电场 ( 或者电流) 对生物体的分子、 细胞、 神经、 器官,甚至整个有生命的 活体都有不同的影响和作用 。 电刺激的治疗, 就是借助于人体内部的生物电效应 。 在施加外部微 电场 (或者微电流) 的情况下, 通过 对人体 组织局部的 电场 (或电流) 的改变 , 进而影响人体内的不平衡或者不正常的机能状态。 最终, 可以使人体恢复到正常状态, 保持健康 。 由生物的 电效应现象, 电刺激治疗可以大致概括为以下 三 点: (1 ) 在人体的生命过程中, 其新陈代谢、 神经兴奋的传递、 心脏的搏动、胃肠的蠕动等, 都和人体内的带电离子的运动有关系 。 电场 (或者电流)可以影响带电离子的运动方向。 (2 ) 生物体 的 膜 具 有 一 定 的 渗 透 性 和 选 择 性 , 其 对 人 体 内 部 的 细 胞 膜 的电位和物质交换及新陈代谢有着至关重要的影响和作用。 局部的微电场(或微电流) 通过改变 生物膜的渗透性及选择性, 从 而影响生物膜对某些带电离子的选择,如 钠离子、 钙离子、钾离子等。 (3 ) 在 人 的 体 内 存 在 各 种 各 样 的 生物 酶 和 蛋 白 质 , 而 且 它 们 都 含 有 许 多微量金属元素, 如 Fe 、Mn、Co、Cu 等。 这些 微量的金属元素很多都是这些酶和蛋白质的重要 组成部分 , 同时 也是这些酶和蛋白质具有某种特定生物功能的关键因素。 所以说 , 电场 (或者电流) 通过对这些微量金属 (导电介质 ) 元素的 影响和 作用, 从而改变生物酶和蛋白质的 生物活4 南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论性。 由相关 实验研究和实际的 人体 使用, 从医学角度来说, 电刺激治疗疾病 的方法具有以下 四个方面的作用: (1 ) 电 刺 激 可 以 促 进 局 部 的 血 液 循 环 , 加 强 体 内的 新 陈 代 谢 , 这 样 有 利于人体排出体内产生的 CO 和 其他 代谢产物(对人体 有害的物质) 。同2时, 直接施加在人体的 电场 (或者电流) 可以在人体内 产生微电流, 从而增加血管壁弹性, 加快了 血流速度。 进而 防止因血管的堵塞造成 的疾病。 (2 ) 电刺激可以提高白细胞 的活力。 在微电场 (或者微电流) 的作用下,白细胞 (主要是 T 淋巴细胞)的吞噬作用能够得到增强 。 同时, 红细 胞的运动也会受到一定的 促进 。 从而可以降低这些细胞 的沉淀速度。最终,有利于消除局部的炎症 , 而且也可以降低血沉, 防止血管 硬化疾病的发生。 (3 ) 电刺激产生的电场 ( 或者电流) 通过改变生物膜的通透性和选择性,进而可以调节对内分泌 的 渗透作用, 从而改善因为 内分泌 失调和紊乱造成的一系列内分泌疾病。 (4 ) 直接 施加 于 人体的 电 刺 激 而 产 生 的 电场 ( 或者 电流) 也 可以 影响神2+经递质 (如 - 氨 基 丁 酸 、5- 羟色胺 、 缓 激 肽 等 ) 的 释 放 , 以 及 Ca 和cAMP 水平的改变。进而 影响神经元的兴奋性。因此,电刺激可以通过调节神经功能来治疗和 消除 某些疼痛疾病和神经性疾病 。 所以说 , 针对我们人体来说 , 由电刺激产生的电场 (或者 电流) 可以从 离子 、细胞、 组织等多方面 作用, 进而 改善 或者影响人体的某个组织和器官的功能。 最终,可以 预防和抑制疾病。 1.2.3 电刺激 治疗 对 人 体 机能 的 影 响 (1 ) 电场(或电流)可改善 人体的血液血液占人体比重的 大约是 8% , 而且血液 中含有丰富的物质。 除了我们熟知的红细胞和白细胞 ,血液中血脂的含量也很丰富 。大 量 实验 表明: 在外加电场(或者 电流)的 作用下,血液 的 粘 度和血沉 会 相 应的 降 低 , 血流 速 度 会 在一定的 程度内 加快 , 同时 在 外 加的 局部 电 场 ( 或者 电流 )的作用及 影 响下 , 一 些 血脂 ( 如 胆 固醇 ) 分 子的 长链 及 支 链 会被 电 解 成 短链 , 从 而 有利 于 脂 类 的 分解 和 代 谢, 防 止 脂类 物5 南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论质 的 过 度 合成 。 所以说 , 外加 的 电场 ( 或者 电流 ) 可以 有效 地 抑 制因为血脂在血管的沉积造成的一系列 血管疾病。 (2 ) 电场(或电流)可改善 人体的神经系统众 所 周 知 , 人 体 神 经 兴 奋 的 传 递 主 要 靠 的 是 神经 纤维 膜 内外 电 位 的变 化 以 及 树 突 和 轴 突 之 间 神经 递 质 的 传递 来 完 成 的 。 因此 ,外加 在人体的电场( 或者 电流) 就 可 以 通 过 影 响 神经 纤 维 膜 内 外 的 电 位 和 神 经 递 质的 传递 , 进 而 改 变 神 经 系 统 的 兴 奋 性 。 从 而 可 以 预 防 或 者 治疗 某些神经系统的病变和疾病。 (3 ) 电场(或者电流) 能够影响 人体内的生物电现在 的 很 多 科 学 实 验 研 究 表 明 : 生物电 在 几 乎 所 有 活 体 的 生 物 体 内都存在 , 所 以 在 人 体 内 也 正 常 存在 。 同时 , 人 体 各 个 部位 的 生 物 电 都 保持 着 一 定 的 动 态 平 衡 。 但是 ,如 人 体 由 于 内 因 或 者 外 因 致 病 后 , 体 内 的维持 的 平衡 状态 就会 发 生 紊 乱 , 由 此 人 体 就 会 出现一些 病理 的表现和 状态 。所以说 , 当 人体 内 的 生 物 电 出 现 不 正 常 情 况 的 时候, 我们 就可以 根据 实 际 的 情 况 , 在 人 体 施 加 一 定 的 电 场 ( 或 者 电 流 ) 就 可 以 在 一 定 程 度上改变这种生物电的不平衡状态, 从而调节生物电使其趋于正常。 最终 ,由生物电不平衡引起的病变可以得到抑制和治疗。 (4 ) 电场(或者电流) 可 改善人体的免疫系统人 体 的 免 疫 系 统 是 保 护 人 体 健 康 的 最 重 要 的 屏 障 。 如 果 人 体 的 免 疫系 统 出 现 任 何 问 题 , 那 么 人就会 因 为 抵 抗 力 下 降 而 容 易 得 病 。最近 几年来 , 很 多 的 研 究 学 者 经 过 实 验 验证 : 电场 (或者 电流) 可 以 改 善 人 体 的免疫系统,从而提高人体 的免疫力,是人体保持健康 的状态。 1.3 国内 外 研究 的 现状 及 进展 1.3.1 经 颅 电 刺 激 的 现状 和 进 展 利用电刺激改善 脑部功能是 一种古老的技术,至少在二百年前就被提到过。利用麻醉的小鼠 进行系统的研究也已经说明 : 通过放置于大脑内或者硬脑膜上的电极施加 的电流, 可以 影响大脑皮层的活动和兴奋性, 并且这种影响在刺激结束26也会 持续一段时间 。 后续 的研究也显示 长期 的电刺激效应 具有 蛋白质合成依27 2+赖性 ,并 且可以改变 cAMP 和 Ca 的水平。因此,这些效应 对于长期的强迫症 和 抑 郁 症 具 有 共 同 的 特性 。 经 颅 电 刺 激 的 应 用 可 以 诱 导 产生足够 大的 大脑电6 南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论流, 从而有效的改变神经元 的 兴奋性。 通过猴子的 活体实验, 经颅电刺激的产生28的电流大约 50% 可以透过颅骨进入脑组织 , 同样的情况也在人体 得到了验证 。在人体 最初 的研究目的是为了 治疗或者 改善精神性的 疾病 ,特别是 对 抑郁症, 中29风的康复 。实验证明 , 阳极 刺激 显示 可以降低 抑郁症 的症候, 而阴极的 刺激30显示可以 减少狂躁症的症状 。 但不幸 的是英国的研究人 员 在后续的研究中,这些结果不具有可重复性 , 究其原因 , 可能是 由于不同类型的病人和不一致的刺31激参数所致 ,或者实验系统中其他不可控制的因素 。 在最近几十年, 经颅电刺激 又被重新进行相关的实验和验证, 并且结果 显示通过聚焦和连续的刺激, 可以 可靠地调节大脑皮层的功能, 但对于 大脑皮层兴奋性 的改变 还 是 不 可 逆 转 的 。 把 经 颅 电 刺 激 和 其 他 脑 成 像 以 及 神 经 成 像 方 法 (如fMRI 、PET 、EEG ) 结合的研究 有望在大脑兴奋性变化和潜在神经生理基础上 得32, 33到独特视觉观察 的变化 。 除了以上 提到的经颅电刺激可以 改变大脑皮层的兴奋性, 进而影响大脑的一些功能。 此外, 近几年来, 经颅电刺激 技术在治疗脑部肿瘤也取得了 一定的成果,特别是以色列科学家 Kirson 等 的研究表明,经颅电刺激对人体 脑部的胶质瘤具有很好的 抑制和治疗效果,并且其所研制 的经颅电刺激设备已得到美国 FDA 的34批准,也 已经被应用于临床试验 。 综上所述 ,经颅电刺激的研究现状 和进展具体可归纳为以下几点: (1 ) 经 颅 电 刺 激 可 以 通 过 施加 一 定 的 电 场 ( 或者 电 流 ) 影响 大 脑 皮 层 神经 纤 维膜 电位 变 化 和 神经 递 质的 释放 , 进而 改变 神 经兴 奋性 , 可以 预防和 治疗神 经性 及 精神 性疾 病 。也 可以 用来提 高和 改 善大 脑某 个 区域 ( 语言区等)的功能,如增强 记忆力和提高学习工作能力。 (2 ) 由经颅电刺激的电压或电流 引起的局部微电场 (或 微电流) ,会影响细胞的分裂。 因此, 能 够抑制头部某些肿瘤细胞的增殖 。 最终,能 够抑制脑部某些肿瘤的生长 。 (3 ) 在将来, 经颅电刺激将会 结合现代先进的脑部功能 成像设备 (如 fMRI等) 进行更具体、更细致 的定量的分析和研究。 将会从 宏观的研究慢慢深入到微观的研究,揭示经颅电刺激 对人体大脑影响的 深层次变化。 1.3.2经 颅 电 刺 激 电 场 的 研 究 现 状 和 进 展 由于 经颅电刺激在医学实验领域的广泛研究, 也带动了 在 经颅电刺激下电场或者电流 分析的发展, 主要涉及人体头部三维模型的建立, 多通道经颅电刺激的7 南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论仿真分析 计算和经颅电刺激设备 的硬件设计等三部分。 以下分别进行国内外研究现状及发展动态 进行一系列分析。 一、头部 各组织三维实体模型 的 重建 35人 体 头 部 的 建 模 经 历 了 最 初 的 利 用 三 角 面 片 的 二 维 有 限 元 建 模 到后来的36 37三 维 实 体 建 模 , 其 建 立 的 三 维 头 部 模 型 更 接 近 实 体 模 型 , 也 更 真 实 , 如 图1-1 所示 ,人体头部各层组织结构 。图 1-1 头部各 组织结构目前建立头部三维模型的方法各异,但是大致可分为三种: (1 ) 第一种是理想简化的模型, 如圆球 模型。Abhishek Datta 等研究者最初根据头部的大概尺寸, 利用有限元软件自带的建模 功能, 根据头颅的组织结构建立了人体头部理想化的五层球体模型 。 设定头部各种组织的38分层结构的电阻率等参数 。 这种 结构简化了头部的复杂组织结构 三维模型, 给后续的研究提供了很多方便。 同时 , 也研究了圆形、 环形电极以及刺激位置不同时电场、 电流分布矢量图和聚焦深度的变化, 得到了较良好的结果。 (2 ) 第 二 种 是 利 用 三 维 测 量 方 法 。 首 先 , 测 画 颅 腔 的 各 部 分 几 何 尺 寸 。然后, 使用计算机辅助设计 (CAD ) 软件 建立类似的头部 实体的三维模型。Timothy Wagner 等研究者利用 CAD 软 件根据不同的曲率和曲面设计出了近似人体头部实体的三维模型, 并且经过后处理输入到有限元分39, 40析软件进行了经典的经颅电刺激分析和优化计算 。 (3 ) 第三种 是 通过 逆 向 工 程 技术 , 进 而 建立 头 部 三 维 模 型 , 此 方 法 是 由扫面物体得到的点云数据。 通过计算机分析计算, 从而得到 已存在实物替 代 品 的 技 术 。 常 见 的 医 学 三 维 重 建 软 件 有 MIMICS 、3D-Slicer 和Simpleware 等, 这些软件都可以利用头部 的 CT 或 MRI 图像进行各层头8 南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论部组织的三维重建。Abhishek Datta, Marom Bikson, Felipe Fregni 等研 究者利用 Simpleware 对 输入 3T 的 MRI 图像进行了三维重建,该重建的头部三维模型是特定的颅骨缺损经过钛金属和聚酯乙烯填补后的模型, 并且还建立了经典的 5x7cm 的电极 片施加到模型上, 然后进行经颅电刺激41的研究 。Chang-Hwan Im, Hui-Hun Jung 等韩国的学者对 MRI 图像的42重建 , 进 行 了 两 点 经 颅 电 刺 激 的 优 化 定 位 的 仿 真 计 算 。 国 内 方 面 ,43 44 45 46付森 ,黄 平 ,步玮 ,赵辉 等研究者利用 MIMICS 或者其他医学三维重建软件, 重建了人体头部的三维模型, 而且也做到了各个层次分明的建立模型。 另外 , 还有来自东南大学的陈功等研究者利用 自主开发的 Medical Image Processing Platform MIPP 软件,自适应构建了人头47部的有限元模型 , 效 果也相当不错。 当然, 有很多国内的研究学者利用各种方法建立人体头部 的有限元模型, 但是他们都是进行人体头部颅48-51 52-55骨的碰撞 或者力学研究 , 很少有进行进行经颅电刺激的有限元分析和研究。 二、头部实体三维模型的有限元 分析和计算在优化计算方面, 国外的学者做 的研究比国内多, 而且很充分。 国内方面几乎为空白。 大多数利用 COMSOL3.5 有限元仿真软件进行分析 计算, 该软件的特56-58点是可以和 Matlab 进行联合进行 编程和分析计算 ,另外也有用 ANSYS 进59行仿真分析 的少数案例 。 (1 ) 电 刺 激 的 理 论 基 础 : 首 先 要 考 虑 到 微 电 流 或 微 电 压 对 人 体 的 影 响 。人体的电阻组要组成如图 1-2 所示: 皮 肤 电 阻 皮 肤 电 阻内部 电阻500 皮 肤 电 容 皮 肤 电 容60图 1-2 莱贝 尔加 电阻模型相关资料显示人体的电阻会受到环 境温度、 湿度, 电刺激时的电流或电压的影响而变化 。 而且, 在进行电刺激时 , 主要影响的还是人体内部 微小的神经元结构 , 通过对神 经 递 质和膜 电 位 的影响 , 进 而改变 神 经 元的兴 奋 性 。如图 1-3 及1-4 所示。 9 南昌航空大学硕士学位论文 第一章 绪论61图 1-3 电刺 激对神经元产生的即时效应 。61图 1-4 电刺 激对神经元产生的长期效应 。(2 ) 经颅电刺激的仿真分析 :Abhishek Datta, Varun Bansal 等 研究者利用COMSOL 3.5 软件对经典的 5x7cm 电极片电刺激模型同五个圆形的电极62组 成 的 刺 激 阵 列 进 行 了 对 比 的 研 究 和 优 化 计 算 。 国 内 方 面 , 侯 文 生63, 64等 重庆大学的 研究者利 用 COMSOL 3.5 软件建立了简单的头部部分模型进行了有创的视觉皮层仿真分析 , 研究了 电刺激对猫 的视觉的影响。 但是不管出于 任何研究目的 , 大多数有限元仿真分析的数学 模型65, 66的计算公式都是拉普拉斯方程 :V 01-1 但是 , 在国内, 总体上对经颅电刺激的有限元仿真计算 进行 完整地研究不是很多,也 不是很全面。 三、仪器 设备方面在经颅电刺激的仪器设备上国内外层出不穷, 产品性能内也良莠不齐。 国外做的较好的德国/0. 的 DC-STIMULATOR 经颅电刺激仪。 仪 器有多重刺激模式,而且刺激采样率也相当