经颅直流电刺激仿真优化与系统设计

此文章没有设计优化算法，而是做实验尝试。

摘要

本文构建了四层球模型和真实头模型，利用有限元方法，对经颅直流电刺激进行了仿真研究和参数优化，同时在仿真和优化的基础上，对经颅电刺激进行了系统设计。主要工作如下：

1、分析经颅直流电刺激的工作原理，建立数学模型，分析有限元方法在仿真中的应用，建立四层球模型和真实头模型，利用有限元软件对经颅直流电刺激进行仿真研究，计算大脑中电场的大小和空间分布。

2、对经颅直流电刺激进行各种电极参数和刺激方式的优化。采用四层球模型，在电流幅值、电极间距、电极面积和电极形状的参数方面进行仿真优化，通过调整电极参数来提高刺激聚焦性；采用真实头模型，分别对传统大面积矩形电极刺激、高清晰度环形电极刺激、基于导联网络电刺激和阵列式电极刺激这几种刺激方式在不同的电极参数下进行仿真，采用大脑的有效刺激区域像素面积百分比作为刺激聚焦性指标，对比分析各刺激方式和各电极参数下的有效刺激区域，得出了能提高刺激聚焦性和实现多靶点刺激的刺激方式和电极参数。

3、进行经颅电刺激的系统设计。分别对信号发生模块、控制模块、显示模块和电源模块进行设计，进行软件仿真和系统搭建，能够输出正弦波、矩形波和三角波等交流电流信号和低强度的直流电流信号，满足安全性、便捷性、准确性的要求。

第三章 经颅直流电刺激参数优化

本次对经颅直流电刺激进行参数优化的目的：

1、提高刺激的聚焦性；

2、实现多靶点刺激。考虑到大脑多个靶点区域可能存在的功能上的连接和相互作用，进行多靶点刺激可以提高对大脑疾病治疗和功能改善的效果。

3.1 基于四层球模型的参数优化

四层球模型具有简单和规则化的特点。在采用四层球模型时，我们主要对电流的幅值、电极的面积、电极的间距、电极的形状方面的参数进行规律性的分析，寻求这些刺激参数与刺激聚焦性的规律。

3.1.1 电流幅值

电流大小不会改变电流密度的空间分布，电流密度幅值正比于注入电流大小，电流密度在大脑中呈衰减趋势，注入电流越大，衰减得越快，大脑中离电极越近的区域电流密度幅值越大。

3.1.2 电极面积的优化

电极面积较小时，有两个电流密度幅值最大值点，且最大值点的电流密度幅值较大，随着电极面积的变大，两个最大值点在位置上逐渐靠近直到只有一个最大值点，且最大值点的电流密度幅值越来越小，电流的聚焦性增强。

3.1.3 电极间距的优化

电极间距在 20 度之前不断变大时，有 1 个电流密度幅值最大值点，电极间距在 20 度时最大值点的电流密度幅值达到最大，电极间距从 20 度再增加时，最大值点的电流密度幅值变小，到间距 40 度时开始出现两个电流密度幅值最大值点，且在位置上互相远离，电流的聚焦性减弱。

3.1.4 电极形状的优化

正方形电极和圆形电极对大脑电流密度的影响基本相同，圆形电极比正方形电极在大脑上产生的电流密度幅值略高。

3.2 基于真实头模型的参数优化

为了对经颅直流电刺激的聚焦性进行更好的研究和量化，选择大脑的有效刺激区域的像素面积百分比作为刺激聚焦性的数据衡量指标，指定大脑有效刺激区域为超过电场强度最大值$1/\sqrt 2$倍(即最大刺激能量的$1/\sqrt 2$)的刺激区域。

利用传统大面积矩形电极刺激参数优化：

• 改变正方形电极的面积，得出结论：电极面积减小，刺激的聚焦性提高；
• 改变传统大面积电极刺激电极形状，将圆形电极与正方形电极比较，得出结论： 圆形电极比正方形电极的聚焦性好；
• 改变传统大面积电极刺激电极位置，得出结论：返回
  电极距离目标电极较近比如相距 5cm 之内或者较远比如将返回电极放在人的颈部、肩部或手臂上，均能使刺激的聚焦性提高，返回电极相距目标电极较远比起相距较近更能使聚焦性提高。

高清晰度环形电极刺激参数优化，可以得出结论：

• 高清晰度环形电极刺激比传统大面积电极刺激聚焦性好。刺激的有效区域不在电极的正下方，而是在目标电极和返回电极包围起来的中间区域；
• 电极面积很小且中心电极与四周返回电极的距离很近时，刺激的聚焦性较好。

阵列式电极刺激和基于导联网络电刺激电极参数优化，设置了四组电极参数。阵列式电极刺激和基于导联网络电刺激电极可以实现聚焦性刺激和多靶点刺激。