随着非侵入脑刺激(non-invasive brain stimulation,NIBS)技术的发展,经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)这项看似简单的刺激手段,正被广泛地应用于各种领域,包括神经障碍、神经康复和认知增强,研究发现,tDCS对改善人类各种形式的学习效果都有着一定的作用,tDCS在诱导突触的可塑性上,具有明显的优势,阳极刺激对于神经元细胞兴奋性的调节以及阴极刺激对于神经元细胞抑制性的作用已被证实为经颅电刺激(transcranial current stimulation,tCS)的刺激机制。然而,由于tDCS的作用过程会诱发颅内复杂的电场分布,且电极参数、电极配置、人的大脑结构的差异性等因素也会使得刺激结果具有很大的差异,这也是影响刺激的准确度的重要因素。本论文基于实现tDCS的靶向性刺激,提升刺激的精确度的目的,首先通过建立真实头模型的方法,研究了各个电极配置下的电场分布特性情况,并结合此项研究结果,对整个大脑进行电极配置优化,希望在刺激目标脑区的条件下,获得更好的刺激电极组合和注入电流的强度,从而指导tDCS的实施。为了完成这一目的,本论文开展了如下工作:首先,本论文尝试以高分辨率磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)数据为基础,探索出了一种构建头部模型的普适性方法,通过对目前各类分割算法以及建模方法的研究,论文中以高斯混合模型对头部组织结构进行了划分,并利用Simpleware软件进行实体模型构建和有限元网格化过程,重新构建出了一种更为接近人体组织结构的真实头模型,并以此为基础,作为进行电场仿真的基础。在头模型搭建完毕后,依照前人研究中出现过的电极配置,本论文分别在头模型的表面配置形状各不相同的传统矩形电极、4×1点电极、同心环电极、双环状电极,探究了电极形状对颅内电场分布的影响。研究发现,在注入电流一致的条件下,传统矩形电极虽然能够诱发灰质皮层最强的电场强度,但其在感兴趣区域(region of interest,ROI)的聚焦性和刺激渗透性都相对较低,相比之下,4×1点电极、同心环电极与双环状电极的聚焦表现更好,且有着更高的组织渗透性。除此之外,在对阴-阳极距离对颅内电场分布的影响研究中,本论文的研究中选用了4×1点电极,探究了阴-阳极距离在1~5 cm范围内的电场差异。结果显示,随着阴-阳极间距离的增加,在灰质皮层诱发的最大电场强度逐渐增加,场强最大区域能够被控制在电极覆盖范围内,但当阴-阳极距离增大到4 cm以上后,电极会逐步失去对刺激位置的控制能力。且在4×1点电极下,电极的距离对组织渗透性的影响并不大。在随后的研究中,本论文以精神分裂症患者的tDCS过程为例,研究了对精神分裂症患者实施靶向刺激的过程。由于本论文的研究旨在解决精神分裂症患者在双侧背外侧前额叶(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)施加最优刺激的问题,在探索出电极特性对脑部电流走向可能产生的影响的基础结论下,本论文选择了以脑电系统中的10-10系统为导向的电极,对左侧和右侧目标脑区,构建了使得在左侧ROI获得激活刺激和右侧ROI获得抑制刺激的目标函数,同时,对单个电极的注入电流和目标区域外的脑区施加约束条件,进行约束优化求解,实现了针对左侧DLPFC的最大正向电流刺激和右侧DLPFC的最大化负向刺激。通过以上内容,本论文初步实现了基于真实头模型在各类电极配置下的仿真电场分布特性,并实现了靶向刺激目标脑区的过程,该方法很可能会对今后的经颅直流电刺激工作起到辅助作用,为临床医生实施tDCS带来更安全、便捷的治疗方法提供一些初步结果。