基於 CT 影像進行顱外皮質刺激模擬

概述

顱外皮質刺激（ECS）是一種新型神經調節技術，其優點是以微創方式傳遞強烈電場至大腦。為了顯示潛力，需要計算模型來評估軟組織內的電場，為此魯汶大學的研究人員使用 Simpleware 軟體建立了植入 ECS 電極的真實人體頭部模型，並產生四面體網格，再將其匯出到外部 CAE 模擬軟體進行模擬。Simpleware 軟體的一個重要功能是能夠在感興趣區域 (ROI) 產生高密度的高品質網格，從而以經濟高效的方式產生準確的結果。這項工作的結果發表在《神經科學前沿》。

亮點

顱外皮質刺激被認為會在大腦中誘發強電場
使用 Simpleware ScanIP 對植入 ECS 電極的真實人體頭部進行建模
使用 Simpleware FE，產生 ROI 處高密度的四面體網格
將網格匯出至 CAE 軟體進行模擬
結果顯示 ECS 可以向大腦傳遞強電場

顱骨皮質刺激與神經調節

皮質刺激技術已被證明可有效治療不同的病理和精神科技術，包括侵入性和非侵入性方法，就前者而言，直接皮質刺激（DCS）需要開顱手術將電極直接放置在大腦上方，DCS 產生強烈的神經調節作用，但對患者來說風險較高。相較之下，經顱電刺激 (tES) 是一種非侵入性神經調節技術，可在附著於頭皮的電極之間傳遞更安全但較弱的電流。

魯汶大學的研究人員開發了一種新型微創神經調節技術，即顱骨皮質刺激 (ECS)，透過將刺激電極放置在皮下和頭骨上來提高治療效果，這項研究探討了 ECS 向大腦傳遞強電場的潛力，並使用計算模型來估計 ECS 期間與 tES 和 DCS 相比的感應皮質電場。為此我們使用 Simpleware 軟體產生具有所需電極的高品質人體頭部模型，然後將其匯出到 CAE 模擬軟體以模擬電場分佈。

人體頭部建模

為了產生人體頭部模型，將詳細模型 MIDA（Iacono 等人，2015）匯入 Simpleware ScanIP，模型由 115 個表面網格組成，代表從頭部掃描分割出來的不同組織，使用 Simpleware CAD 模組，將表面網格轉換為基於影像的遮罩，然後合併形成主要的五個感興趣的遮罩：皮膚、頭骨、腦脊髓液、灰質、白質和空氣 (見圖1)，遮罩顯示導入表面之間存在一些間隙，這些間隙代表組織的兩個相鄰遮罩之間顯示為空體素，這些缺陷在現實中存在，且會影響網格生成，使用 Simpleware ScanIP 中的影像處理工具可以填補這些間隙。

圖：人體頭部模型矢狀視圖的螢幕截圖（使用 Simpleware ScanIP 拍攝）顯示不同顏色的不同分段組織：皮膚（橘色）、頭骨（淡黃色）、腦脊髓液（藍色）、灰質（深灰色））、白質（淺灰色）和空氣（黑色）

頭部電極模型與絕緣背層的建模

ECS 電極由中心圓盤和環形電極組成，具有絕緣背層，以防止電流穿過皮膚。首先透過使用 Simpleware 3D 編輯工具擴大皮膚遮罩的副本來建模電極層，然後應用布林運算工具保持遮罩的部分與皮膚相交。

產生電極層後，產生具有所需半徑、方向和位置的圓柱形遮罩，並將與電極層的交叉點定義為中心盤電極。類似地，透過減去兩個圓盤電極來創建環形電極，圓盤電極的半徑代表環的內邊緣和外邊緣，為了對絕緣背層進行建模，採用了類似的方法來產生電極，確保各層覆蓋所有電極以防止與皮膚直接接觸（見圖 2）。

圖：電極植入後的人體頭部模型。左圖：矢狀視圖（使用 Simpleware ScanIP 拍攝），顯示中心盤和環形電極為紅色，絕緣層為綠色。右圖：Simpleware ScanIP 中 3D 視圖的螢幕截圖。皮膚和絕緣層的不透明度設定較低，以更好地說明頭骨上的電極

生成頭部與電極的四面體網格

建立人體頭部和電極模型後，使用 Simpleware FE 模組產生四面體網格（見圖3）。為了獲得更準確的結果，增加了電極周圍區域的四面體網格單元的數量。這個非常有用的功能提高了模型結果的準確性，同時確保合理的資料量和模擬時間。

圖：使用 Simpleware FE 產生的人體頭部多部分體積網格，包括：白質、灰質、腦脊髓液、頭骨、電極組件、軟組織和空氣，用於在 CAE 軟體中進行模擬

模擬結果

將四面體網格匯入 CAE 軟體，設定邊界條件，並透過求解拉普拉斯方程式來估計電場。結果表明，ECS 期間產生的電場可以比 tES 期間產生的電場強 20 倍以上（如下圖）且感應皮質電場的強度和焦點取決於電極尺寸以及中心電極和環形電極之間的距離。

圖：CAE 軟體的模擬結果顯示了施加相同 1 mA 電流時 ECS（左）和 tES（右）期間的電場分佈。（注意比例尺限制）結果顯示 ECS 期間的電場比 tES 期間的電場更強且更集中

結論

顱內皮質刺激（ECS）是一種新型的微創神經調節技術，可提供強皮質電場。這是透過使用 Simpleware 軟體和 CAE 軟體產生的計算模型來展示的。此類技術可用於刺激不同的皮質區域並治療許多神經和心理疾病。研究結果表明，電極配置會影響大腦中的電場強度和焦點。為了達到最佳的治療效果，同時避免不必要的副作用，未來的計算研究應著重於優化電極設計，以針對特定的皮質區域，同時避免刺激其他部位。

參考資料