Page 110 - 南京医科大学学报自然科学版

第43卷第7期
·996 · 南 京
经 颅 直 流 电 刺 激（transcranial direct current
stimulation，tDCS）属于神经调控（neuromodulation）
技术。随着对 tDCS 的广泛研究和临床试验，tDCS
作为一种潜在精神疾病物理性治疗，受到越来越多
的关注；并因其非侵入的优势成为当前神经调控工
程技术的热点应用领域。美国食品药品监督管理
局（FDA）有报告认为 tDCS 是一种相对新颖、简单、
便宜、较少设备依赖的脑刺激形式，对于患者终身
和慢性治疗更可行。从大量讨论 tDCS 临床治疗精
神健康疾病的文献中，看到对其各种不同角度的研
［2］
［1］
究，Nitsche等 和Bennabi等 研究了tDCS对抑郁症
是否有改善作用。Herrera⁃Melendez等 的研究验证
［3］
tDCS对精神分裂症、药物依赖上瘾有疗效性。Fregni
［4］
等 临床试验了tDCS是否可增强记忆。此外，tDCS
［5］
具有缓解多种疼痛的潜力。Knotkova等 的研究指
出多种慢性疼痛患者连续 5 d 接受 tDCS 治疗后，患
者自我评估疼痛减轻，有镇痛效果，其中含神经性
疼痛、头痛。
然而，有研究指出，tDCS治疗临床效果可能因病
患的差异导致可重复性较低 ［6-7］ 。Herrera⁃Melendez 的开源软件。图 1 概括性地呈现了 ROAST 完成数
［3］
等 也提到 tDCS 治疗效果的差异性和可重复性争
议。本文认为电极放置物理位置误差是疗效不稳
定的另一个因素，通过 tDCS 治疗时颅内电场分布
计算，有助于分析并确保颅内目标区的电场能够高
于有效刺激阈值，从而判断和确定 tDCS 治疗的有
效性。
围绕tDCS临床疗效可重复性质疑，本文将真实体
积逼近模拟经颅电刺激法（realistic volumetric⁃approach
to simulate transcranial electric stimulation，ROAST） getDP，数值求解电场有限元模型电流分布，实现头
运用到此可重复性的辩论中，从电极物理位置误差
影响定量地分析疗效可重复性问题，通过tDCS治疗
时颅内电场数值分布图解，准确检视tDCS治疗电场
电极放置
组织分割
ROAST
SPM12
前置处理
图1 ROAST完成电场数值计算的路径
Figure 1 The path of ROAST to complete the numerical calculation of electric field
医 科 大 学 学 报 2023年7月
强度，确保颅内目标区的电场能够高于有效刺激阈
值，从而判断tDCS治疗对患者的有效性。
本文接下来将讨论在同一模型下计算不同电
极位置电场。为此，本研究以 F4 电极位置改变为
例，选择使用圆盘和矩形两类电极，分析电极偏移
对抑郁治疗的量化影响。
1 材料和方法
1.1 ROAST完成数值计算的过程路径
为进行仿真计算评估电极位置变化如何造成
治 疗 靶 区 电 场 强 度 的 变 化 ，选 择 了 开 源 软 件
ROAST3.0 。此仿真计算过程包括准备头颅 MRI
［8］
数据，MRI 数据进行脑组织分割，导入 tDCS 电极
三维设计文件，合并生成网格数据，利用网格数据
进行电场有限元数值计算。这过程根本上是把
tDCS 治疗看作是一个关于头颅的麦克斯韦电场边
值问题。
ROAST在解头颅麦克斯韦电场边值问题时，针
对有限元数值计算路径上每一个步骤，集成了最新
值计算的过程路径。ROAST 需在 Matlab 环境中运
行使用。首先，ROAST在Matlab中基于人头MRI构
建分析模型，借 SPM12 软件模块完成脑组织分割，
获得头部组织分割解剖结构；接着用 Matlab 代码将
电极的三维数据叠加在头部解剖结构模型上。然
后ROAST 集成iso2mesh，将合并了电极的头颅模型
进行网格化。iso2mesh是在Matlab环境有限元网格
开源生成软件。最后，ROAST通过Matlab环境运行
［8］
颅的麦克斯韦电场边值问题数值求解。
由于所需开源软件已经集成好了，通过ROAST
以命令行方式对 tDCS 麦克斯韦电场边值问题进行
风格化 数值求解
iso2mesh getDP ROAST