Skip to main content
SUPERVISOR
Rasoul AmirFattahi,Abolghasem Zeidaabadi Nezhad,Mohammad Reza Ahmadzadeh
رسول امیر فتاحی ورنوسفادرانی (استاد راهنما) ابوالقاسم زیدابادی نژاد (استاد مشاور) محمدرضا احمدزاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ahmadreza Attarpour
احمدرضا عطارپور

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Noninvasive Deep Brain Stimulation: Improvement of Computational Models and Experimental Assessment
Brain disorders have debilitating impacts on the quality of life. Most patients with brain disorders don’t respond to any form of treatment. Neuromodulation modalities have been widely used as effective treatments for some brain disorders . Transcranial magnetic or electrical stimulation have been used in many human clinical and neuroscientific investigations as the most commonly used noninvasive brain stimulation methods. However, it has not been demonstrated that these noninvasive brain stimulation methods directly stimulate deep regions of the brain without affecting the overlying cortex. Although deep Brain Stimulation (DBS) with implantable electrodes is an effective treatment for some movement and psychiatric disorders, it is an invasive and high risk method. Noninvasive ‌ deep brain stimulation (NDBS) via temporally interfering electric fields has emerged recently as a noninvasive strategy for electrically stimulating deep regions in the brain . The objective of this study is providing deep insights into the fundamental mechanisms of this strategy and evaluating the potential use of this method for clinical applications. For these reasons, we used of computational analysis and experimental assessments. Based on given stimulation parameters and electrode configurations, analytical and numerical methods are used for computing the electric potential and field distributions generated during NDBS in two cylindrical models of the brain. The proposed optimization algorithm based on artificial neural networks showed significant accuracy in estimating stimulation parameters and also revealed that the shape of the activated area is more controllable by using more electrode pairs. The activated area has been determined through macroscopic and microscopic approaches and the results demonstrated that the activated area in both approaches located only at the deep regions in the models. Frequency analysis of the local field potentials which were recorded from two cortical and deep regions of the rats brain, before at and after applying two second stimulation, demonstrated that the highest power increase has been occurred at the frequency equal to the difference of the current sources. This power increase was often higher at deep region than cortex. Although NDBS have faced with multiple challenges for clinical applications especially in human subjects, it may overcome the constraint that only superficial structures may be directly affected through noninvasive brain stimulation methods. Keywords: Noninvasive Deep Brain Stimulation, Temporally Interfering Electric Fields, Optimization Algorithm, Axon Modeling
تحریک الکتریکی یا مغناطیسی مغز می‌تواند به بهبود بسیاری از بیماری‌های عصبی و اختلالات روان‌شناختی که درمان‌های دارویی ممکن است کمکی به بیمار نکرده و حتی دارای عوارض جانبی باشند،کمک کنند. کاربرد روش‌های تحریک غیرتهاجمی مرسوم همچون تحریک مغناطیسی و یا الکتریکی فرا جمجمه‌ای در تحریک ساختارهای عمقی بدون اثرگذاری بر لایه‌های سطحی مغز به‌طور مستقیم هنوز اثبات نشده است. از طرف دیگر، روش تحریک عمقی مغز که در آن الکترودهای مخصوص در ساختارهای عمقی مغز قرار داده ‌می‌شوند و تحریکات الکتریکی از طریق آن‌ها به مغز وارد می‌شوند، تهاجمی بوده و خطرهای بسیاری را برای بیمار به همراه دارد. روش تحریک غیرتهاجمی عمقی مغز بر اساس میدان‌های الکتریکی تداخلی به‌عنوان روشی جدید برای تحریک الکتریکی ساختارهای عمقی مغز به‌تازگی معرفی‌شده است. هدف این پژوهش مطالعه عمیق مکانیسم اصلی این روش و ارزیابی آن با بهره بردن از تجزیه‌وتحلیل محاسباتی و ارزیابی آزمایشگاهی است. توزیع‌های پتانسیل و میدان الکتریکی حاصل از تحریک بر اساس پارامترهای تحریک دلخواه (مکان الکترودها و جریان تزریقی به آن‌ها) به روش تحلیلی و عددی در دو مدل استوانه‌‌ای به‌عنوان مدلی از بافت مغز موش محاسبه شدند. نتایج حاصل از الگوریتم بهینه‌سازی پیشنهادی بر اساس شبکه‌های عصبی مصنوعی نشان دادند که می‌توان پارامترهای تحریک را برای رسیدن به ناحیه‌ی تحریک دلخواه با دقت بالایی تخمین زد. همچنین این نتایج نشان دادند که با استفاده از چهار زوج الکترود به‌جای دو زوج، ناحیه‌ی تحریک را می‌توان بهتر کنترل کرد. در این پژوهش ناحیه‌ی تحریک به دو روش مدل‌سازی ماکروسکوپیک (آستانه گذاری بر روی بیشینه دامنه پوش میدان الکتریکی مدوله‌شده در تمام جهت‌ها) و میکروسکوپیک (مدل‌سازی پاسخ الکتریکی آکسون‌ها) به دست آمد. نتایج حاصل از این دو روش نشان دادند که ناحیه تحریک در مکان‌های عمقی مدل قرارگرفته و این می‌تواند به معنی تحریک بیشتر ساختارهای عمقی نسبت به ساختارهای سطحی مغز درروش مذکور باشد. تحلیل فرکانسی پتانسیل محلی میدان، در حین و بعد از اعمال تحریک در این روش از دو ناحیه‌ی سطحی و عمقی مغز دو موش‌ صحرایی، نشان داد که بیشترین افزایش مؤلفه‌ی فرکانسی در سیگنال نسبت به قبل از اعمال تحریک برابر با اختلاف فرکانس بین دو منبع جریان بوده و این میزان افزایش در اکثر مواقع در ناحیه عمقی بیشتر از ناحیه‌ی سطحی بوده است. روش مذکور دارای چالش‌هایی برای کاربردهای بالینی به‌خصوص برای کاربردهای انسانی است، اما می‌تواند این فرضیه که برای دسترسی مستقیم به نقاط عمقی مغز بدون اثرگذاری بر لایه‌های سطحی تنها نیاز به روش‌های تهاجمی است را زیر سؤال ببرد. کلمات کلیدی: تحریک غیرتهاجمی عمقی مغز، میدان‌های الکتریکی تداخلی، الگوریتم بهینه‌سازی، مدل‌سازی آکسون.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی