【摘 要】
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经颅磁声电刺激（Transcranial magnetic-acoustical electrical stimulation,TMAES）是一种新型无创脑调制技术,它利用超声波和静磁场共同作用于神经组织以调节神经元放电活动,对研究和治疗脑功能疾病有着重要意义。现阶段有关TMAES的研究大多停留在神经元层面,而TMAES的宏观聚焦效果的研究数量稀少,因此本文进行了相关的研究,主要内容如下:1、本文
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（No.51877069,No.51737003）；
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经颅磁声电刺激（Transcranial magnetic-acoustical electrical stimulation,TMAES）是一种新型无创脑调制技术,它利用超声波和静磁场共同作用于神经组织以调节神经元放电活动,对研究和治疗脑功能疾病有着重要意义。现阶段有关TMAES的研究大多停留在神经元层面,而TMAES的宏观聚焦效果的研究数量稀少,因此本文进行了相关的研究,主要内容如下:1、本文利用人体头部的CT图像数据,使用医学图像处理方法构建了真实头模型,对真实头模型进行优化,令其变得有利于有限元仿真计算。然后对真实头模型进行了三维计算,生成了可用于仿真分析的有限元头模型。2、使用有限元分析软件Comsol对其进行TMAES仿真分析。获得了声场分布和感应电流密度分布。结果显示出二者之间存在高度的一致性,TMAES在人脑中形成梭形的焦斑,刺激强度足够对神经元形成阈上刺激,并且焦点处的空间峰值时间平均声强未超过美国食品药物安全局规定的超声安全阈值,本文通过理论分析和仿真计算证实了TMAES安全性良好。本文还探究了超声波的频率对TMAES感应电流密度的聚焦性影响。分别使用300、400、500 k Hz的低频段超声波对真实头模型施加经颅磁声电刺激,结果显示超声信号频率的增加会导致刺激强度、刺激深度以及聚焦面积的增加。3、设计了TMAES人体实验来验证该方法的安全性和有效性,选取人脑运动皮层作为刺激靶区。实验分为对照组和实验组,分别对两组受试者群体施加伪刺激和经颅磁声电刺激,在施加刺激的同时用表面电极采集了受试者右手手臂拇短展肌的肌电信号,根据右侧拇短展肌的电位是否超过50μV或者能否观测到拇指抖动来判断是否形成有效刺激,实验结果显示实验组诱发动作电位的成功率为93.75%;对照组诱发动作电位的成功率为0。由此证实了TMAES在人体实验中的有效性和安全性。综上,本文从理论分析和实验研究的角度探讨了TMAES。本文构建并采用了真实头模型,考虑了声学非均匀性和电导率在不同组织中的分布差异的影响,建模取材来源于真实头部数据,从而保证了仿真分析的可靠性;实验设计以被试安全为前提,尊重人权,符合道德伦理标准,采用无创的表面电极采集肌电信号,证实了TMAES的安全性和有效性,本文为TMAES提高聚焦性提供了理论指导,同时也推动了TMAES应用于临床的发展。
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