TMS-EEG联合作用时空间电磁场分布的仿真研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fwj108580853
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当前在临床治疗以及大脑神经科学等领域,经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)和脑电(Electroencephalogram,EEG)联合的技术已成为一个重要方向。但TMS-EEG技术不是直接技术的堆叠,结合之后仍有一些技术问题有待研究,如TMS产生的强脉冲磁场会在EEG电极等空间导体产生不必要的感应场,影响TMS作用下目标空间的电磁场分布。时变磁场可能会在附近高电导率的导体如EEG电极中产生涡流并使电极发热、运动,不仅造成电极传感器损坏,也可能因升温对人体造成热损伤。在此背景下,本文使用有限元仿真平台COMSOL Multiphysics搭建了人头模型、TMS线圈模型以及EEG电极等各部分模型。在频域中计算了有无EEG电极时头部及其电极等部分的磁感应强度和感应电场强度;计算了各部分的电磁体积损耗密度;在瞬态计算中研究了不同刺激频率r TMS连续作用后电极及生物组织的温度场;计算了各频率r TMS刺激下皮肤组织某点处的热损伤分数变化。最后通过后处理对空间各部分的磁场、电场、温度场及热损伤分数变化进行了可视化分析并将温度结果与相关标准进行对比。结果表明:放置EEG电极后头部组织所取各位置点处磁感应强度值和感应电场强度值均发生了变化,磁感应强度最大变化达10.77%,感应电场强度值最大变化达58%。放置脑电极后,YZ纵切面的最大磁感应强度值降低了13 m T,最大感应电场强度值降低了1 V/m。按10/20国际摆放规则放置的电极中,Cz电极的最大磁场值最强,C3和Fz电极的感应电场强度最强,耳垂部位A1电极处磁场和电场值均最弱,距TMS线圈越远,脑电极上的磁场强度和感应电场强度值越弱。TMS-EEG联合作用时,EEG电极体内的磁场和电场强度明显高于头部组织各部分的磁场和电场值。EEG电极的存在会对TMS作用下目标空间的电磁场分布产生影响,进而间接影响TMS的预期刺激及治疗作用。不同刺激频率的r TMS连续作用10 s或更长,高频率刺激下金属电极的温度会超过IEC60601-1:2012和GB9706.1-2020标准中有关温度的限值51℃。随着时间增加在10 Hz r TMS连续作用下,紧密接触电极的头皮组织内的温度可达到IEC规定的组织损伤阈值43℃。r TMS刺激频率越高,作用时间越长,距离金属电极越近的皮肤组织发生热损伤的风险越大。TMS-EEG联合技术在进行仪器设计以及治疗方案的确定时,需要将EEG金属电极的发热及可能造成的组织热损伤等因素考虑在内。
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