[论文解读] Advanced boundary electrode modeling for tES and parallel tES/EEG

Britte Agsten, Sven Wagner+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2016

Neuroscience and Neural Engineering参考文献 31被引用 4

一句话总结

本文提出并评估了经颅电刺激（tES）及并行tES/EEG中高级边界电极模型——完整电极模型（CEM）、间隙模型（GAP）和点电极模型（PEM）——的应用。结果表明，GAP与GAP/PEM在实际tES和tES/EEG应用中已具备足够精度，而CEM因能独特捕捉电极-皮肤界面处分流电流引起的皮肤加热效应，具有不可替代的优势。

ABSTRACT

This paper explores advanced electrode modeling in the context of separate and parallel transcranial electrical stimulation (tES) and electroencephalography (EEG) measurements. We focus on boundary condition based approaches that do not necessitate adding auxiliary elements, e.g. sponges, to the computational domain. In particular, we investigate the complete electrode model (CEM) which incorporates a detailed description of the skin-electrode interface including its contact surface, impedance and normal current distribution. The CEM can be applied for both tES and EEG electrodes which is advantageous when a parallel system is used. In comparison to the CEM, we test two important reduced approaches: the gap model (GAP) and the point electrode model (PEM). We aim to find out the differences of these approaches for a realistic numerical setting based on the stimulation of the auditory cortex. The results obtained suggest, among other things, that GAP and GAP/PEM are sufficiently accurate for the practical application of tES and parallel tES/EEG, respectively. Differences between CEM and GAP were observed mainly in the skin compartment, where only CEM explains the heating effects characteristic to tES.

研究动机与目标

• 评估基于边界条件的电极模型在真实tES及并行tES/EEG模拟中的准确性与实用性。
• 比较完整电极模型（CEM）与简化模型（GAP与PEM）在电场与电势分布方面的差异。
• 探究CEM对电极-组织界面的详细建模是否对临床与科研应用具有必要性。
• 评估GAP与PEM在标准tES与tES/EEG工作流程中是否可替代CEM而不会造成显著精度损失。
• 确定电极尺寸、形状及接触阻抗对场聚焦性与模拟保真度的影响。

提出的方法

• 使用完整电极模型（CEM）对电极-皮肤界面进行建模，包含接触表面、接触阻抗及法向电流分布（即分流效应）。
• 采用间隙模型（GAP）模拟具有有限尺寸但无分流效应的电极，其边界条件考虑了电极面积的影响。
• 采用点电极模型（PEM）作为简化方法，假设电流在单一位置注入，忽略电极几何形状的影响。
• 通过有限元法（FEM）求解体积导体问题，其弱形式源自偏微分方程的变分公式。
• 利用伽辽金离散化与分部积分法推导出CEM、GAP与PEM的电阻率矩阵，从而实现电场响应的对比分析。
• 采用包含目标刺激区域（听觉皮层）的真实头模型，在生理学上合理的条件下评估各模型的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在tES过程中，CEM、GAP与PEM在电场与电势分布预测上存在哪些差异？
• RQ2 CEM中包含分流电流对模拟结果的影响程度如何，特别是在皮肤组织区域？
• RQ3 与CEM相比，简化模型（GAP与PEM）在实际tES与并行tES/EEG应用中是否具备足够精度？
• RQ4 CEM能否有效复现传统tES中常用的浸水海绵电极的行为？
• RQ5 电极尺寸与形状对场聚焦性的影响如何？GAP与PEM等简化模型在多大程度上能准确反映这一影响？

主要发现

• GAP与GAP/PEM模型在实际tES与并行tES/EEG模拟中已具备足够精度，与CEM相比误差极小。
• CEM与GAP之间的显著差异主要出现在皮肤组织区域，仅CEM能捕捉到由电流分流引起的加热效应。
• CEM能唯一地对电极-皮肤界面的分流效应进行建模，该效应影响局部电流分布与电势梯度。
• CEM可有效复现传统浸水海绵电极的关键特性，而无需显式建模海绵材料本身。
• PEM因完全忽略电极尺寸与形状的影响，导致其在tES建模中表现不足，尤其影响场聚焦性。
• 电阻率矩阵的构建方法使CEM、GAP与PEM的比较具有一致性，结果表明GAP在精度与计算简洁性之间实现了良好平衡。