通过新颖的颅外皮层刺激技术进行微创神经调节【Simpleware应用】

Posted · Add Comment

概述

颅外皮层刺激（ECS）是一种新型神经调节技术，优点是以微创的方式向大脑传递强电场。为了展示它的潜力，计算模型在评估软组织内电场的研究中不可或缺。鲁汶大学的研究人员使用Simpleware软件创建了一个植入ECS电极的真实人体头部模型，并生成四面体网格模型，然后将其导出至仿真软件（COMSOL Multiphysics）进行模拟。Simpleware软件的一个重要特点是能够在感兴趣区域（ROI）生成致密的高质量网格，从而以低成本高效益的方式产生准确的结果。该项目成果已发表在《神经科学前沿》。

亮点

  • 颅外皮层刺激被认为能够在大脑中引发强电场
  • 在Simpleware ScanIP中创建植入ECS电极的真实人体头部模型
  • 在Simpleware FE中对ROI生成高密度的四面体网格
  • 将网格模型导出至COMSOL Multiphysics仿真
  • 结果表明ECS可以向大脑传递强电场

介绍

皮层刺激技术已被证明可以有效治疗不同病理和精神疾病，包括侵入式和非侵入式的方法。就前者而言，直接皮层电刺激（DCS）需要通过开颅手术将电极直接放置在大脑上。DCS能够产生强烈的神经调节作用，但患者面临着较高的风险。相比之下，经颅电刺激（tES）是一种非侵入式的神经调节技术，附着在头皮上的电极之间传递较弱的电流更为安全。

鲁汶大学的研究人员开发了一种新颖的微创神经调节技术 – – 颅外皮层刺激（ECS），通过将刺激电极直接放置在皮下颅骨上，进而提高治疗效果。该项目研究了ECS向大脑传递强电场的潜力，使用计算模型评估ECS期间感应皮层电场，并与tES和DCS进行比较。为此，他们使用Simpleware软件生成包含所需电极的高质量人体头部模型，然后导出至COMSOL Multiphysics模拟电场分布。

人体头部建模

为了生成人体头部模型，将详细模型MIDA（Iacono et al., 2015）导入Simpleware ScanIP。该模型由115个面网格组成，代表着从头部扫描中分割出的不同组织。使用Simpleware CAD模块将面网格转换为基于图像的掩膜，然后合并形成感兴趣的5个主要掩膜：皮肤、颅骨、脑脊液、灰质、白质，以及空气。这些掩膜显示导入的表面之间有一些跟实际情况不一致的现象，比如间隙，即两个相邻代表组织的掩膜之间出现了空的体素。这些缺陷是不真实的，还可能会影响网格的生成。利用Simpleware ScanIP中的图像处理工具可以填充孔洞，修正这种情况。

图：人体头部模型矢状位视图（在Simpleware ScanIP中获取）的截图清晰地展示了不同颜色区分的分割组织：皮肤（橙色）、颅骨（淡黄色）、脑脊液（蓝色）、灰质（深灰色）、白质（浅灰色）和空气（黑色）。

电极建模

所述ECS电极由中心圆盘、环形电极以及防止电流通过皮肤的绝缘背层组成。首先通过使用Simpleware 3D编辑工具扩张皮肤掩膜的副本创建电极层，然后应用布尔运算工具保持掩膜部分与皮肤相交。

生成电极层后，在此基础上创建一个具有特定半径、方向和位置的圆柱形掩膜，将它与电极层交叉的部分定义为中心圆盘。同样地，环形电极是通过两个半径分别为环形内缘和外缘的圆盘电极相减获得。为了模拟绝缘背层，同样采用了类似生成电极的方法，确保各层覆盖到了所有电极以防止与皮肤直接接触。

图：植入电极后的人体头部模型。左：矢状位视图（在Simpleware ScanIP中获取），中心圆盘和环形电极呈红色，绝缘层呈绿色。右图：Simpleware ScanIP中3D视图的截图，对皮肤和绝缘层设置了较高的透明度，可以更好地展示颅骨上的电极。

生成四面体网格

在创建了人体头部和电极的模型后，在Simpleware FE模块中生成四面体网格。为了得到更精确的模拟结果，在电极周围区域增加了四面体网格的单元数量。这是一个非常有用的功能，在保持合理网格数量和模拟时间的同时，提高了模型结果的准确性。

图：在Simpleware FE中生成的人体头部多部分体积网格模型，包括：白质、灰质、脊髓液、颅骨、电极组件、软组织和空气。

模拟和结果

将四面体网格模型导入COMSOL Multiphysics，设置边界条件，通过求解Laplace方程计算电场。结果表明，ECS期间产生的电场是tES产生电场的20倍以上，感应皮层电场的强度和焦距取决于电极尺寸和中心电极与环形电极之间的距离。

图：同样施加1 mA电流时，COMSOL仿真结果显示ECS（左）和tES（右）期间的电场分布（请注意刻度的范围）。从图中可以看出，与tES相比，ECS期间的电场强度更强、更集中。

结论

颅外皮层刺激（ECS）是一种新型的微创神经调控技术，能够产生较强的皮层电场，已由Simpleware软件和COMSOL Multiphysics生成的计算模型证实。该技术可应用于刺激不同的皮层区域，治疗多种神经和心理疾病。研究结果表明，电极的配置会影响大脑中的电场强度和聚焦。为了避免不必要的副作用并实现最佳治疗效果，未来的计算研究应侧重于优化电极设计，达到只针对特定皮层区域而不刺激其他部位的目的。

参考

  • 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/epicranial-cortical-stimulation.html
  • Khatoun, A., Asamoah, B., Mc Laughlin, M., 2018. Investigating the Feasibility of Epicranial Cortical Stimulation Using Concentric-Ring Electrodes: A Novel Minimally Invasive Neuromodulation Method. Frontiers in Neuroscience. 13, 773.