预期和非预期的电磁场神经刺激建模

问题描述

高分辨全人体模型，包含精细的神经模型（上）；Sim4Life模拟核磁共振成像检查的曝照。

电磁场与神经元互相作用。这种互相作用可以是刺激，抑制或是同步，而且可以是预期和非预期的。强低频场下曝光造成的无意刺激是，例如，发生在核磁共振梯度线圈；而有意的刺激包括，例如，治疗中的应用（经颅刺激，深部脑刺激，功能性电刺激等）或者神经义肢装置（人工视网膜，神经义肢的四肢等）建模尤其有利于治疗、设备安全及疗效评估，同事也有利于优化医疗器械性能。

神经元的复杂结构和离子通道动力学，人体电场分布的非均匀性，以及两者之间复杂的相互作用，导致了安全阀值预测，刺激选择性，脉冲频率，脉冲形状的影响等的复杂。后者则是耦合电磁神经元动力学建模是必需的的原因。

方法

1. Sim4Life耦合电磁神经元动力学建模

Sim4Life中模拟脊髓神经刺激器的细节。

Sim4Life的T-NEURO模块提供综合神经动力学模拟，Sim4Life平台的集成和耦合的电磁建模功能（P-EM-FDTD和P-EM-QS），以及一系列预定义的神经动力学模型，包括与安全标准相关的SENN模型。Sim4Life主要的优势在于在现实的解剖模型中模拟复杂的神经动力学模型（例如，虚拟人口ViP3.0或者采用IMG和iSEGmo模块的医学图像数据产生的模型）。

通过指定轨迹为样条，然后将它们作为预定义的行为模型，或者输入大库(比如ModelDB， http://senselab.med.yale.edu/modeldb/)中的详细神经元模型，很容易设计神经元模型。支持为给定的脉冲形状自动确定刺激阀值的功能。

2. 应用于神经义肢

Sim4Life中，深部脑刺激仪模拟的细节。

运用Sim4Life的T-NEURO功能，探讨神经义肢应用的植入式电机是有可能的。例如，横向束内的多通道电极（TIME-一个允许更高刺激选择性的神经接口，与比如更常见的袖口电极相比，成本侵袭性的增加。）设计，在各种肌肉的激活有关的坐骨神经中有五个亚电极选择性刺激的不同的神经元群。为此，神经几何，包括不同的神经束，是从图像数据中提取的，并转化成神经模型。捕捉神经元特性的统计变异的几百个动态神经元模型放置在神经模型和它们的刺激时间电极阵列建模内。这样的模拟运用在比较不同的关于肌肉的刺激选择性与位置敏感性的电机的设计。模拟预测是由大鼠肌肉刺激的实验测量确认的。带TIME电极的坐骨神经刺激是以恢复截瘫患者腿部活动为目标进行研究的，并且第一次在老鼠身上的结果十分鼓舞人心。

3. 应用于神经刺激

外经颅磁刺激诱发的电流。Sim4Life进行的模拟。

4. 应用于MRI安全

使用外部或内部电极的神经刺激适用于各种用途。例如，深部脑刺激（DBS）采用埋式电极来治疗运动障碍、抑郁等。经颅刺激采用外部电极，例如安装的头部表面的外部电极，用于中风康复。使用Sim4Life, 不仅有可能模拟单场分布和电流，也有可能模拟神经元活动相关的影响。运用Sim4Life低频求解器和高分辨率MIDA头部模型对比各种经颅刺激电极蒙太奇的场分布，及通过视网膜获得的电流密度，与实验性的观察到的视觉光幻视（例如，没有光线进入眼镜的光现象）的发生。

接受核磁共振检查的高分辨全身人体模型。Sim4Life进行的模拟。

耦合电磁神经元动力学模型已被应用于磁共振梯度线圈开关诱发非预期神经刺激的安全性研究。通过整合逼真的运动神经元模型在人体内的各种神经轨迹，及关于功能化ViP3.0模型内的现实梯度线圈模型引起的场的刺激阀值的研究，可证明一系列的假设当前的安全标准是有问题的。最重要的是，据发现，1）除了目前人体内的磁场强度和场不均匀性，可以成为神经刺激的相关源；2）SENN模块并不一直时新；3）温度对神经动力学的影响很重要，现实解剖学模型中的耦合神经细胞动力学模型需要正确理解低频曝光安全性，并得出合适的安全标准。利用扩散张量成像得到非均匀各向异性电导率图，模型的逼真得以增强。DBS电极接触各种治疗相关的丘脑、丘脑底核电磁建模已与代表三个不同神经元群体（准确地使用Sim4Life的Python脚本的功能）和预测的刺激率的100个以上的现实神经元模型结合，可以与实验性的确定数量相关。

5. 验证

电刺激神经元放电的仿真研究。Sim4Life的T-NEURO模块进行的模型。

基础电磁求解器已得到广泛的验证，例如，使用制造解决方案的方法。

耦合电磁神经元动力学模型已经多次验证：Sim4Life实现的正确性已被验证，通过Sim4Life的ModelDB再生神经元模型，并通过与参考SENN模型实现（FDA网页上可查看大量的脉冲持续时间和形状）获得的阈值的对比。通过预测和测量1）视网膜神经节细胞的刺激阈值，2）神经义肢的坐骨神经刺激的肌肉激活选择性，进行实验性验证。此外，深部脑刺激模型的定性验证是参考文献资料进行的。

涉及的產品

Sim4Life → Computable Human Phantoms → ViP3.0

Sim4Life → Physics Models → P-EM-FDTD

Sim4Life → Physics Models → P-EM_QS

Sim4Life → Modules → P-THERMAL

Sim4Life → Framework → HPC

Sim4Life → Tissue Models → T-NEURO

Sim4Life → Modules → iSEG

Sim4Life → Modules → IMG

Sim4Life → Modules → GRAD

Documentation

Publications

Reilly, J. Patrick, and Alan M. Diamant. Electrostimulation: theory, applications, and computational model. Artech House, 2011.
Neufeld, Esra, et al. "Simulation platform for coupled modeling of EM-induced neuronal dynamics and functionalized anatomical models." Neural Engineering (NER), 2015 7th International IEEE/EMBS Conference on. IEEE, 2015.
Iacono, Maria Ida, et al. "MIDA: A Multimodal Imaging-Based Detailed Anatomical Model of the Human Head and Neck." PloS one 10.4 (2015).
Neufeld, Esra, Ioannis V. Oikonomidis, and Niels Kuster. "Thresholds for interference with neuronal activity." Electromagnetic Compatibility (APEMC), 2015 Asia-Pacific Symposium on. IEEE, 2015.
Neufeld, Esra, et al. "Computational platform combining detailed and precise functionalized anatomical phantoms with EM-Neuron interaction modeling."General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS), 2014 XXXIth URSI. IEEE, 2014.

Validation Reports, available upon request from our support team

Validation of P-EM-FDTD Module
Validation of P-EM-EQS Module
Verification of P-Thermal Module
Validation of P-Thermal Module
Verification of T-NEURO Module