基于磁声编码激励结合数字锁相的电刺激电流密度分布成像方法研究

Electrical stimulation is a widely used safe and effective approach for neural regulation and rehabilitation. However, there is a lack of accurate monitoring imaging methods for the distribution of current density in tissue, which limits the accuracy of the stimulation. In order to achieve the stimulation targets accurately and to avoid side effects on non targets nerve tissue, this project propose an imaging method to the distribution of stimulating current density based on magneto-acoustic effect. The multi-physics model of electromagnetic and acoustic parameters will be established, finite element simulations, phantom and biological tissue experiments will be done. In this project, the combined method of coded excitation which is used to extract the acoustic source in the tissue and the digital lock-in method which is used to extract the electrical current density distribution is used, to solve the underdetermined problem of the reconstruction model which the acoustic source distribution is unknown. This project will detected and image the current density distribution of electrical stimulation, and develop an electrical stimulation current density noninvasive detecting and imaging method with high detection accuracy, high signal-to-noise ratio and low cost. This project will provide imaging reference for monitoring the depth and intensity distribution of electrical stimulation, and improve the electrical stimulation targeting. This project will be of great significance for studying the mechanism of electrical stimulation in the area of neural regulation. It will play a positive role in promoting the research on neural diseases rehabilitation and neural controlling.

电刺激是被广泛应用的安全有效的神经调控与康复治疗手段。然而对组织中刺激电流密度分布尚缺少精确的监测成像方法，限制了刺激的精准性。为实现靶点区的精准刺激，避免非靶区刺激对组织神经的副作用，监测电刺激深度，电流密度分布等关键参数，本课题提出目前尚未开展的基于磁声编码激励结合数字锁相的电刺激电流密度分布成像方法。通过建立电磁声多物理场耦合模型，有限元仿真计算和仿体及生物组织的成像实验，研究基于编码激励的磁声信号处理方法提取组织声源电导率分布参数，结合数字锁相提取电刺激电流密度功能参数，解决未知声源分布样本重建模型的欠定问题，实现电刺激组织电流密度分布的检测成像。发展高检测精度，高信噪比，低成本的电刺激电流密度分布无创检测和成像方法，为监测电刺激深度和强度分布，提高电刺激靶向性提供影像学依据。本课题将对研究电刺激神经调节机制具有重要意义，对神经疾病康复和神经调控相关领域的研究起到积极的推动作用。

电刺激是被广泛应用的神经调控与康复治疗手段。然而组织中刺激电流密度分布尚缺少精确的监测成像方法，限制了刺激的精准性。为实现靶点区的精准刺激，避免非靶区刺激对组织神经的副作用，监测电刺激深度，电流密度分布等关键参数，本课题提出目前尚未开展的基于磁声编码激励结合数字锁相的电刺激电流密度分布成像方法。. 本项目建立了电磁声多物理场耦合模型，进行了有限元仿真计算和仿体及生物组织的成像实验，研究基于编码激励的磁声信号处理方法提取组织声源电导率分布参数，结合数字锁相提取电刺激电流密度功能参数，实现电刺激组织电流密度分布的检测成像。. 研究结果表明，电流密度分布与电导率特性和电极位置密切相关。刺激电流集中分布于电极附近，电极连线靠近中点位置处电流密度逐步减小。随电极间距的增加，电流密度分布逐步发散，刺激电流的深度逐增加，磁声耦合声源深度增加。同时本研究组建了基于电磁声耦合的电刺激电流检测成像研究平台，磁声耦合信号测量精度达到0.1uPa-0.01uPa，实现了10V量级刺激电压，0.01A量级刺激电流强度下的二维刺激电流分布无创检测，测量空间精度达2mm。在体动物刺激电流检测初步结果显示，组织中电流分布随电刺激强度线性增加，电极间距增加声源深度增加，电流分布趋势与仿真结果一致。同时，编码激励方法实现了组织的声源分布信息的提取，提高了成像信噪比，为获得高精度电流分布提供了先验信息。. 本课题发展的高检测精度，高信噪比，低成本的电刺激电流密度分布无创检测和成像方法，为监测电刺激深度和强度分布，提高电刺激靶向性提供影像学依据。本课题将对研究电刺激神经调节机制具有重要意义，对神经疾病康复和神经调控相关领域的研究起到积极的推动作用。