Моделирование распространения электрического тока при

Моделирование распространения
электрического тока при
транскраниальной стимуляции
А.В. Ашихмин, Р.Р. Алиев
Содержание
 Глава 1. Определение tDCS
 Глава 2. Создание трёхмерной модели
головы человека
 Глава 3. Постановка и решение задачи о
распространении электрического тока
 Глава 4. Результаты моделирования
 Глава 5. Заключение
Глава 1. Определение tDCS
 Нейромодуляторная терапия
 Тонизирующая деполяризация и гиперполяризация
мембранного потенциала покоя
 Не влияет на нейронный потенциал действия, как TES или
TMS
 Влияет на постсинаптический потенциал
Глава 2. Создание трехмерной
модели головы человека
 Подбор оригинальных данных МРТ
 Сегментирование изображений и
восстановление поверхностей
 Построение многослойной тэтраэдральной
сетки
Подбор оригинальных данных МРТ
 Репозиторий National Institute of Health «1000 functional
connectomes» – объект SaintLouis_sub02115 (женщина, 23
года)
 Данные – последовательность снимков, полученных во
время процедуры МРТ, представлены в формате NIFTI
Глава 2. Создание трехмерной модели
головы человека
Сегментирование изображений и
восстановление поверхностей
 FreeSurfer – для выделения поверхностей белого, серого
вещества и различных отделов мозга. Т ~ 140 мин.
 BrainSuite – для выделения поверхностей головы,
компактной и губчатой костной ткани черепа. Т ~ 30 мин.
Глава 2. Создание трехмерной модели
головы человека
Построение многослойной
тэтраэдральной сетки
 Iso2mesh (tetgen) – инструментарий для генерации и
обработки трехмерные сеточных моделей. Т ~ 15 мин.
 Параметры построенной сетки:
Mesh points: ~0.270 млн
Mesh tetrahedra: ~1.67 млн
Mesh faces: ~3.35 млн
Глава 2. Создание трехмерной модели
головы человека
Глава 3. Постановка и решение задачи о
распространении электрического тока
 Уравнение Лапласа с граничными условиями Дирихле
 Непрерывность нормальной компоненты плотности тока
на всех внутренних поверхностях
 Граничные условия на электродах, соответствующие
суммарному току, протекающему через скальп, равному
1.5 мА
Решение задачи на COMSOL
Multiphysics 5.0
COMSOL Multiphysics – пакет для моделирования и
симуляции различных задач, использующий метод
граничных элементов для решения систем уравнений в
частных производных. T ~ 30 мин
Метод конечных элементов (FEM):
 Метод Галеркина
 Метод сопряженных градиентов с предобуславливателем
- неполная LU факторизация
Глава 4. Результаты моделирования
 Расчёт распределения нормы напряженности
электрического поля
 Оценка влияния стимуляции на отдельные участки
мозга
 Оценка влияния расположения стимулирующих
электродов
 Оценка влияния размеров и ориентации электродов
 Влияние анизотропии
 Ограничения модели
Рассматриваемые положения
электродов при моделировании tDCS
Placement A
Placement C
Placement B
Placement D
Глава 4. Результаты моделирования
Cathode
Anode
Расчёт распределения нормы
напряженности электрического поля
Grey matter
Глава 4. Результаты моделирования
White matter
Расчёт распределения нормы
напряженности электрического поля
Глава 4. Результаты моделирования
Maximum norm of electric field, mV/m
Оценка влияния стимуляции на
различные отделы мозга
30
Placement A
Placement B
Placement C
25
20
15
10
5
0
Глава 4. Результаты моделирования
Placement D
Оценка влияния стимуляции на
отдельные области мозга
Maximum norm of electric field, mV/m
Placement A
Placement B
Placement C
Placement D
60
50
40
30
20
10
0
Cerebel. L Cerebel. R Brainstem
Cortex Prim. Mot. Prim. Vis. Prim. Som. Prim. Aud.
Глава 4. Результаты моделирования
Оценка влияния размеров и
ориентации электродов
1. Изменение ориентации электрода
с горизонтальной на вертикальную
(для электрода 5х7 см)
Max относительное изменение < 1%
Max абсолютное изменение < 0.4 мВ/м
2. Изменение размера электрода
с 5х7 см на 3x3 см
Max относительное изменение < 3%
Max абсолютное изменение < 1.7 мВ/м
Глава 4. Результаты моделирования
Влияние анизотропии
σall = 0.33 См/м
σskull = 0.006 См/м
σCSF = 1.79 См/м
σWM = 0.33 См/м
σGM = 0.65 См/м
σskull = 0.006 См/м
σCSF = 1.79 См/м
σWM = 0.33 См/м
σGM - анизотропно
Глава 4. Результаты моделирования
Ограничения модели
 Модель головы обрезана на уровне 1-2 позвонка
 Не учитывается более сложная анизотропия
 Частично отсутствуют некоторые лицевые структуры в
анонимизированных данных
 Не учитываются более мелкие структуры, такие как сосуды
 Оригинальные изображения имеют невысокую четкость,
что может повлиять на точность отражения отдельных
структур ввиду применения алгоритмов сглаживания
Глава 4. Результаты моделирования
Глава 5. Заключение
Ориентация и размеры стимулирующих электродов:
 Существенно не влияет на распределение напряженности
электрического поля, слабые изменения в коре под
местом приложения электродов (менее 5%)
Расположение электродов:
 Близко располагающиеся электроды больше влияют на
дистальные корковые структуры в месте их приложения
 Контралатеральное расположение электродов больше
влияет на центральные проксимальные подкорковые
структуры
Анизотропия:
 Существенно влияет на распределение напряженности
электрического поля как в коре головного мозга, так и в
глубоких подкорковых структурах (вплоть до изменения
напряженности поля в несколько раз)
Спасибо за внимание