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磁刺激中脑内感应电磁场分布的FDTD计算

【摘要】: 经颅磁刺激技术是80年代中期发展起来的用于中枢神经系统传导功能及传导障碍检测的新方法,与传统的电刺激相比,具有安全、有效、无痛、无损伤、易于重复及操作简单等优点,使得磁刺激技术广泛用于大脑功能研究、脑刺激等各个方面。感应电场在大脑内是如何分布的是研究头部磁刺激的重要环节。 目前,大脑内感应电场分布的研究存在两方面的问题:1.建立的脑部模型为各向同性、均匀的介质,与真实情况相差较大,因此其结果只具有理论意义;2.传统的感应电场计算方法只适合于计算某一时刻电场的分布,其结果不能反映磁刺激过程中感应电场随时间的变化情况。 为了解决这两个问题,本文建立脑球体分层模型,球体外壳是头颅骨,内部为脑组织,同时提出了传统感应电场计算方法与时域有限差分法相结合计算磁刺激中脑部各点的瞬态感应电场值的方法。根据传统方法求出线圈在空气中的感应电场,以计算出的感应电场为入射场,利用时域有限差分法计算磁刺激中脑内各点感应电场的瞬时波形。本文在以下几方面取得了一些进展: 1.建立的脑球体分层模型,赋予脑壳与内部组织不同的电参数,作为磁刺激感应电场计算的模型,更接近实际情况。 2.用传统方法计算出线圈在空气中产生的感应电场作为入射场,利用时域有限差分法计算脑模型内各点感应电场的瞬时波形,动态显示了磁刺激过程中各点感应电场的变化过程,并实验验证了其正确性,对磁刺激的过程及机理有了进一步的了解。 3.在时域有限差分法的计算中,采用了廖氏吸收边界条件,其公式简洁,反射率低,并且在角点处也易于实现。 本文建立的模型更接近真实情况,有一定的实际意义,提出的新方法能够动态反映刺激过程中各点感应电场的变化过程,有助于进一步了解磁刺激的作用机理。根据实际需要,对不同尺寸和形状的线圈,利用本文的算法计算对应刺激部位的感应电场,通过计算结果选择能够准确有效地刺激对应部位且作用范围符合要求的线圈,以达到优化磁刺激器设计的目的。

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