颅骨损伤情况下如何优化高精度经颅电刺激HD-tES

 

HUIYING

颅骨损伤产生的原因（图1）

颅骨损伤常见于创伤性脑损伤（TBI） 患者，尤其是因颅内压增高而接受 去骨瓣减压术（decompressive craniectomy） 的患者。术后常遗留较大颅骨缺损，为保护脑组织并恢复外观，会植入钛板或丙烯酸板。此外，小型颅骨缺损（如钻孔术后）可能在急性期被脑脊液（CSF） 填充，慢性期则被瘢痕组织替代。

 

图1  MIDA模型中组织类型的3D渲染

(D、E 为大型和小型颅骨缺损的3D模型，其缺损处直接暴露脑组织或填充物)

 

 

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颅骨损伤对HD-tDCS的影响(图2)

颅骨缺损或植入物会显著改变电流路径和强度：

大型缺损+钛板（高导电性）：电流被“分流”，刺激强度降低约80%

大型缺损+丙烯酸板（低导电性）：电流被“阻挡”，刺激强度也显著降低

小型缺损+CSF（高导电性）：电流更容易穿透，刺激强度增加约200%

小型缺损+瘢痕组织（中等导电性）：刺激强度也显著增加

 

图2 不同缺损模型下的电场分布对比

 

图2 A2–C3 显示大型缺损下电场分布模糊、强度降低；

图2 A4–C5 显示小型缺损下电场更集中、强度升高。

 

 

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针对颅骨损伤的刺激方案优化

研究者使用ROAST软件进行基于电场优化的HD-tDCS蒙太奇设计，以在安全电流上限（2 mA）内最大化目标区域（右初级运动皮层）的电场强度。ROAST 的全称是 Realistic Openly Accessible Simulation Tool for Transcranial Electric Stimulation（用于经颅电刺激的、逼真的、开放获取的仿真工具）。它是一款开源、全自动的 MATLAB 软件包，专门用于构建基于个体磁共振成像（MRI）数据的、高精度、逼真的头部计算模型，并模拟经颅电刺激（如 tDCS、tACS）在这些模型中产生的电场分布。

优化结果：

在所有模型中，优化蒙太奇比传统蒙太奇（M1-SO 或 4×1）平均提高 0.3 V/m 的电场强度；

尤其在大型丙烯酸板情况下，优化蒙太奇仍能实现有效刺激，而传统方法几乎无效。

 

图3 不同模型和蒙太奇下的电场强度读数

 

A. 正常颅骨：优化后电场提升明显；
 

B. 大缺陷+钛板：电场大幅下降，优化效果不显著；

C. 大缺陷+丙烯酸板：电场下降，优化后有所提升；

D. 小缺陷+CSF：电场显著上升，优化进一步提升；

E. 小缺陷+瘢痕：电场显著上升，优化与4×1无显著差异。

 

 

 

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临床研究

模拟的四种颅骨缺陷模型及其临床对应关系：

 

模型类型	缺损直径	材料/组织	对应临床情况
大型钛板	10 cm	钛金属	去骨瓣减压术后钛板修复
大型丙烯酸板	10 cm	丙烯酸	去骨瓣减压术后丙烯酸板修复
小型CSF填充	2.5 cm	脑脊液	急性期小型缺损，CSF渗出
小型瘢痕组织	2.5 cm	瘢痕组织	慢性期小型缺损，瘢痕形成

研究方法：

使用MIDA高分辨率头部模型；

在ScanIP/ScanCAD中建模并分配电导率；

使用ROAST进行正向建模与优化刺激；

比较优化蒙太奇 vs. M1-SO vs. 4×1 蒙太奇。

 

研究结果：（图3）

优化蒙太奇在所有情况下均优于或等于传统蒙太奇；

大型缺损降低刺激，小型缺损增强刺激；

仅在大型钛板和小型瘢痕模型中，优化蒙太奇与传统方法无显著差异。

 

 

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总结分析

本研究首次系统评估了颅骨缺损/植入物对优化HD-tDCS的影响，并证明：

优化蒙太奇Montage能有效提升目标区域电场强度；

缺损大小和材料电导率是影响刺激效果的关键因素；

个体化建模+优化算法是未来临床应用的可行方向；

安全性角度：电场增强可通过降低电流补偿，电场减弱可考虑适当提高电流（需谨慎）。

 

 

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回映产品

产品1：48通道8脑区同步高精度经颅电刺激设备

 

回映电子科技院线级多脑区高精度经颅电刺激设备(MXN-48)是一款可8脑区/8人同步干预的高精度经颅电刺激实验平台。其已突破了Soterix对该技术的垄断(Soterix产品Soterix MXN-33 高精度经颅电刺激系统其之前是市面上唯一款可对不同脑区进行同步精确干预的设备)回映高精度经颅电刺激产品M×N-48其具有48个独立输出通道，每个通道的波形，强度等参数都可以独立设置，可以实现对8个不同脑区的同步干预，不同脑区的相位同步性<0.1°，大大增强了tES的神经调控效果。回映高精度经颅电刺激设备提供了两种不同的操作模式以供研究者选择——基础模式和自由模式。基础模式使用更加方便，设定简单；自由模式则允许导入自定义电流波形，功能更加强大。

适用范围：康复医学：运动功能障碍、语言障碍、认知障碍、吞咽障碍、意识障碍、上肢肌张力障碍、卒中后抑郁、卒中后疼痛等精神病学：抑郁症、焦虑症、强迫症、物质成瘾、创伤后应激障碍﹑精神分裂症等儿童康复：脑瘫、运动功能障碍、注意缺陷多动障碍、孤独症、阅读障碍、语言发育迟缓等神经病学：睡眠障碍、耳鸣、慢性疼痛、帕金森病、纤维肌痛、慢性疼痛(脊髓损伤下肢)、阿尔茨海默病、单侧忽略﹑偏头痛、神经性疼痛等脑科学研究：记忆、学习、言语等

产品2：手持式高精度经颅电刺激HD-tES设备

 

回映便携式高精度经颅电刺激仪(HD-tES)创新地采用type-C转生物电极的设计使得产品能够非常便捷地被使用。回映便携式高精度经颅电刺激仪(HD-tES)通过多电极配置(1个中心电极和4个返回电极)实现高精度电流聚焦,精准刺激目标脑区。其核心优势在于通过缩小电极尺寸(直径12mm的环形电极)和增加电极数量,显著提升刺激的聚焦性和精准性。
回映HD-tES支持多模式刺激,覆盖多场景需求：HD-tDCS模式：调节皮层兴奋性,适用于中风康复、抑郁症干预等。HD-tACS模式：精准锁定脑电频段(如β-γ频段改善强迫症,4Hz增强工作记忆)适配认知障碍治疗等。HD-tRNS模式：HD-tRNS 对显式和隐式计时任务的影响不同,用于研究大脑的计时机制和时间处理能力等。

 

回映自研type-C转生物电极示意图
适用范围:神经系统疾病治疗，意识障碍和认知功能调节，康复治疗，运动和认知功能恢复。产品3：便携式TI时域干涉经颅电刺激仪

 

该设备通过紧密接触于头皮的电极传导两路不同频率的高频脉冲电流(如：2000Hz和2010Hz),高频电流流经大脑表层和深部区域，并在脑深部干涉产生低频包络(如：10Hz),由于大脑神经元对高频(>1000Hz)电刺激不响应，所以位于大脑表层的高频电流并没有对大脑产生刺激效应位于脑深部的低频包络刺激大脑，实现无创地刺激大脑深部而不影响大脑皮层，即无创脑深部电刺激。

适用范围：

能够应用于对老年痴呆、癫痫、帕金森、抑郁症等多种神经系统疾病治疗和神经科学研究的多个领域。

回映便携式TI时域干涉经颅电刺激仪设备示意图

 

产品4：便携式经颅强交流电刺激仪(Hi-tACS)
该设备采用非侵入性的10-30mA刺激电流直接刺激大脑区域，进而刺激大脑深部的神经核团、改变神经递质水平，影响脑电节律、改善脑区间的联络，从而增强脑功能，治愈疾病。
 

回映便携式经颅强交流电刺激仪设备示意图