电极数量对HD-tDCS的影响

近年来，HD-tDCS系统因其提供了比传统的双电极蒙太奇更灵活的刺激参数而备受关注。通过利用优化方法[1]，与传统的两个大电极相比，使用多个电极可以显著提高目标聚焦度。还可以最大化感兴趣区域[2]中沿所需方向场的电流密度，这可以减少分流效应[3]。此外，HD-tDCS可以提供灵活的放置，这对于监测针对不同区域的不同临床需求非常重要。

HD tDCS的性能受多个电极相关因素的影响，如电极数量、电极尺寸和电极形状。

Fernandez-Corazza等人比较了128和256个电极的情况，发现更大的电极密度可以提高聚焦度、方向性和强度参数[4].
Faria等人已经证明，当使用两个圆形电极系统时，较小的刺激电极会产生更集中的电流密度分布[3]。
Nitsche等人发现，可以通过减小刺激电极的尺寸和增加参考电极的尺寸来改善刺激聚焦[5]

[1]. P. Dmochowski, “Optimized multi-electrode stimulation increases focality and intensity at target.,” J. Neural Eng., vol. 8, no. 4, p. 46011, 2011.
[2] S. Guler, “Optimization of focality and direction in dense electrode array transcranial direct current stimulation (tDCS),” J. Neural Eng., vol. 13, no. 3, pp. 1–14, 2016.
[3] P. Faria, “A finite element analysis of the effect of electrode area and inter- electrode distance on the spatial distribution of the current density in tDCS,” J. Neural Eng., vol. 8, no. 6, pp. 1–24, 2012.
[4] M. Fernández-Corazza, “Transcranial electrical neuromodulation based on the reciprocity principle,” Front. Psychiatry, vol. 7, no. MAY, 2016
[5] M. Nitsche, “Shaping the effects of transcranial direct current stimulation of the human motor cortex,” J. neurophysiol, pp. 3109–3117, 2007

一般来说，以前的相关研究是孤立的，并基于传统系统或环形电极拼接。对于各种电极相关因素对HD-tDCS性能的影响，仍缺乏系统的研究。为了进一步提高HD-tDCS的性能，重要的是表征与电极因素有关的性能。

在这项工作中，我们研究了电极数量如何影响高清tDCS的性能。为了获得注入电流和产生的电场分布之间的关系，我们构建了一个具有不同数量的表面安装电极的真实头部模型。采用21、32、64和342个电极，应用受约束最小二乘法约束的常用优化方法，研究了电极数的影响。电极为直径6mm的圆形电极。定量标准，包括聚焦能力、刺激精度和强度，用于评估性能。

Methods

使用的计算头部模型是Fieldtrip工具使用的标准头部模板，可以使用Matlab将头部模型保存为STL格式。然后在Solidworks软件中重建模型。

所有湿电极的厚度为2mm，而电极和头皮之间的凝胶直径与厚度为1mm的电极相同。电极直径固定为0.6cm。电极位置基于国际10/10 EEG系统。

在准静态条件下，每个电极以线性关系贡献每个体素中的电场。如果使用$s$表示注入电流𝒎电极，以及𝒆 表示产生的电场$n$然后是大脑中的体素之间的关系$s$和$e$可以表示为：$e=Ks$. 在这里$Kn×m$是一个系数矩阵，可使用COMSOL Multi physics 5.2通过有限元法计算。

Results

电极数量越多，聚焦性、精度都越好。

为了最大程度使用电流来实现更高的强度，并且不降低聚焦度和精度，我们通过乘以一个比例系数$t$来达到这个安全限制。$t×s_{LS}=s_{LS}^*=arg \ \underset{s} min\ ||te_d-Ks||^2$不会降低聚焦度和精度。这种补救方法提供了一种增加不同电极系统产生的强度的方法。因此，电极系统可以充分利用允许电流并产生最高强度，同时保持最佳聚焦性和精度。