标题：Study on the Effect of Deep Brain Stimulation Electrode Geometry on Stimulation Range and Discharge Safety Based on COMSOL Muliphysics

单位：北京工业大学

期刊：《Applied and Computational Engineering》

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研究内容：研究脑深部刺激（DBS）电极几何形状对刺激范围和放电安全性的影响。

研究方法：利用COMSOL Multiphysics多物理场，改变电极端子位置和电极形状，研究对放电行为的影响。

结果：具有特定内外半径比的环形电极具有较大的刺激范围；特定的上下半径，比截锥电极具有更好的安全性能。

背景

DBS是治疗成瘾、抑郁症和其他神经系统疾病的有效方法。

电极是DBS技术治疗的最直接作用部分，通过刺激人体的特定部位，对神经元进行电模拟。

电极的形状会影响放电范围和电荷密度分布，进而影响治疗效果和安全性。

DBS系统

DBS通过在大脑中不同靶点附近植入电极，将脉冲信号的电场施加到目标区域，调节神经递质的水平，从而达到缓解症状的目的。

 

 

常见的DBS装置由探头、延长线和脉冲发生器组成。

脉冲发生器通常埋在锁骨下，由放置在皮肤外的控制器调节脉冲信号。产生的脉冲通过延长线传递至植入大脑目标区域的探头，形成完整的BDS系统。

电流脉冲信号可由电压为激励信号，也可由电路控制。研究表明电流控制的脉冲信号波形比压控信号更稳定。

刺激信号的幅度须适中。幅度太小无法起到治疗效果；幅度太大则可能引起不良反应，导致组织液电解甚至组织损伤。

为在脉冲周期内接近零电荷注入。如今大多DBS使用两相波形。

在治疗中，用于中和电荷的双相波形的第二波形可能会阻碍第一波形产生的治疗效果。我们可以缩短并扩展确保目标刺激信号能够有效发挥作用。

模型设置

使用二维轴对称模型模拟电极放电行为。

几何模型：

绘制一个宽300mm、高600mm的矩形模拟脑组织环境。

设置上表面直径设置为0.5mm的柱状、截锥形、圆锥形电极。

环形电极的外径设置为0.5mm，高度设置为5mm。改变环形电极的内径，以比较不同内径的环形电极的放电行为。

材料设置：

脑组织的电导率选择SC模型，脑白质各向同性电导率为0.275S/m

物理场：

AC/DC 中的电流 （ec） 物理场。

边界条件：

脑组织边界设置为 0V （GND）。

柱状电极的上表面绝缘，下表面和侧面设置为端子。

环形电极的内表面为端子，上下底面和外表面绝缘。

求解器：

稳态求解器。

电极放电范围模拟

选择20A/m²作为阈值电流密度。当空间中某一点的电流密度模量大于阈值电流密度时，认为该点的神经元可以被激活。

随着柱状电极下表面半径的减小，电极的放电效率显著提高，电流密度模式足以激活神经元的范围显著扩大。

 

 

底部半径减小时，放电半径逐渐增大。

在电极的上下表面与侧面的交界处，出现了不需要的激活区。激活区随着电极下底部半径的减小而增加。

 

 

与柱状电极类似，环形电极周围类似地产生两个活化区域。

电荷积累密度分析

在 DBS 治疗中，累积的电荷会导致脑组织电解或对身体造成其他严重损害。

尽双相波形使一个周期内的净电荷注入为零，但每个单相脉冲中注入的电荷量仍可能对生物体造成损害。

因此，实验中电荷积累密度的最大值越小，电极设计越安全。

当环形电极的内半径从0.05mm开始逐渐增大时，最大电荷密度明显降低。最大电荷密度的下降速度逐渐减慢。当内半径等于0.25mm时，最大电荷密度的值最小。

如果电极的内半径进一步增大，就会发现负电荷密度，其绝对值会随着电极内半径的增大而不断减小。此外，随着负电荷的出现，最大正电荷密度随着内半径的增大而开始上升。

柱状电极的最大电荷密度一般低于环形电极。随着基面半径的增大，最大电荷密度逐渐减小，减小速度由快减慢。

当基极半径的长度在0.3mm和0.5mm之间时，可以忽略电荷密度带来的安全差异。

 

结论

在电极外表面放电的柱状电极表现出更小的最大电荷密度，安全性更高。

环形电极表现出更高的放电效率和更大的放电范围。

当电荷注入的风险很大，或者当对受激区域有特定的精度要求时，可以选择柱状电极。

当靶细需要更强烈的刺激时，或者不会引起电流脱靶效应时，可以选择环形电极。