การศึกษาและออกแบบขั้วไฟฟ้าสำหรับการกระตุ้นสมองด้วยไฟฟ้ากระแสตรงผ่านกะโหลกศีรษะในการฟื้นฟูผู้ป่วยโรคหลอดเลือดสมอง

บทคัดย่อ

โรคหลอดเลือดสมอง (Stroke) เป็นปัญหาสุขภาพที่ส่งผลกระทบต่อผู้ป่วยจำนวนมาก จาก ข้อมูลทางสถิติของสำนักงานหลักประกันสุขภาพแห่งชาติ (สปสช.) ประจำปี 2566 ประเทศไทยพบ ผู้ป่วยโรคหลอดเลือดสมองมากถึง 349,126 ราย และเสียชีวิต 36,214 ราย ซึ่งผู้เสียชีวิตส่วนใหญ่มี อายุน้อยกว่า 70 ปี โดยโรคนี้จะส่งผลกระทบต่อ การเคลื่อนไหวและการทำงานของสมอง ซึ่งใน ปัจจุบันมีวิธีการรักษาและฟื้นฟูสมรรถภาพสมองด้วยเทคนิคการกระตุ้นสมองแบบไม่รุกราน โดยหนึ่ง ในเทคนิ ค ที่ ไ ด้ รั บ ความสนใจ คื อ การกระตุ้ น สมองด้ ว ยไฟฟ้า กระแสตรงผ่า นกะโหลกศี ร ษะ (Transcranial Direct Current Stimulation หรือ tDCS) ซึ่งขั้วไฟฟ้า (electrode) ที่ใช้ในการรักษา จะมีผลโดยตรงต่อการกระจายของสนามไฟฟ้า ที่เกิดขึ้นภายในสมอง โดยโครงงานนี้มุ่งเน้นการศึกษา และเปรียบเทียบขั้วไฟฟ้า ในสองรูปแบบ คือ แบบวงกลมและแบบสี่เหลี่ยมจัตุรัส โดยใช้ระเบียบวิธีไฟ ไนต์เอลิเมนต์ (Finite Element Method) ในการจำลองแบบสามมิติ (3D Modeling) ตามมาตรฐาน 10-20 EEG และวิเคราะห์ผลกระทบของรูปทรงขั้วไฟฟ้าต่อการกระจายของสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้น ณ 6 ตำแหน่งในเนื้อเยื่อสมอง ได้แก่ ตำแหน่ง left primary motor cortex, ตำแหน่ง right primary motor cortex, ตำแหน่ง left leg area, ตำแหน่ง right leg area, ตำแหน่ง left face area และ ตำแหน่ง right face area เป็นหลัก โดยได้ทำการแบ่งกรณีเพื่อศึกษา เพื่อหาความสัมพันธ์ของการ เกิดค่าสนามไฟฟ้าในเนื้อเยื่อสมองกับการเปลี่ยนค่าพารามิเตอร์ในแต่ละตัวแปรทั้งหมด 5 กรณี ได้แก่ 1. การวิเคราะห์ค่ากระแสไฟฟ้าในการกระตุ้นต่อการเกิดสนามไฟฟ้าบริเวณเนื้อเยื่อสมอง 2. การ วิเคราะห์ค่าความหนาของขั้วไฟฟ้าในการกระตุ้นต่อการเกิดสนามไฟฟ้าบริเวณเนื้อเยื่อสมอง 3. การ ก วิเคราะห์การกระจายตัวของสนามไฟฟ้าบริเวณเนื้อเยื่อสมอง และ 4. การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลง ขนาดของขั้วไฟฟ้าต่อการเกิดสนามไฟฟ้าบริเวณเนื้อเยื่อสมอง ซึ่งเมื่อทำการ Simulation พบว่าเมื่อ ทำการเพิ่มค่าขนาดพื้นที่ของขั้วไฟฟ้า ค่าสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะมีค่าลดลง และขั้วไฟฟ้าที่มีขนาดเล็ก นั้นสามารถส่งกระแสไฟฟ้าเพื่อสร้างสนามไฟฟ้าได้ค่า ความหนาแน่นที่มากกว่าขั้วไฟฟ้าขนาดใหญ่ และค่าความหนาของขั้วไฟฟ้าที่ใช้ไม่มีผลต่อการเกิดสนามไฟฟ้าในเนื้อเยื่อสมองอย่างมีนัยสำคัญ ใน ด้านของการออกแบบขั้วไฟฟ้า พิจารณาจากการวิเคราะห์ผลการศึกษาทั้ง 4 กรณี ในตำแหน่งที่ใช้ กระตุ้น 6 ตำแหน่งในเนื้อเยื่อสมอง พบว่าการใช้งานขั้วไฟฟ้าที่มีรูปแบบวงกลมจะทำให้ประสิทธิภาพ ในการกระตุ้นสูงกว่าขั้วไฟฟ้าที่มีขอบแหลมหรือเหลี่ยม เนื่องจากขั้วไฟฟ้าแบบวงกลมจะส่งผลกับการ เกิดผลกระทบบริเวณขอบของขั้วไฟฟ้า (Edge Effect) น้อยกว่าแบบขอบแหลมหรือเหลี่ยม ซึ่งจะทำ ให้ส่งกระแสไฟฟ้าได้เสถียร และทำให้เกิดความรู้สึกที่ไม่พึงประสงค์น้อยกว่า และในผลการศึกษาใน กรณีที่ 4 ได้ทำการเปรียบเทียบระหว่างขั้วไฟฟ้าที่มีขนาดตั้งแต่ 5 – 45 ตารางเซนติเมตร พบว่าการ ใช้ขั้วไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กกว่าจะสามารถส่งปริมาณกระแสไฟฟ้าได้มากกว่า ทำให้เกิดความเข้มของ สนามไฟฟ้ามากกว่า อีกทั้งการใช้ขั้วที่มีขนาดใหญ่จะทำให้กระตุ้นโดนเนื้อเยื่อสมองส่วนอื่น ทำให้ ประสิทธิภาพในการกระตุ้นลดลง ดังนั้นการใช้ขั้วที่มีขนาดเล็กกว่าจะทำให้กระตุ้นในส่วนของเนื้อเยื่อ ที่ต้องการแม่นยำกว่าขั้วไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่

Abstract

According to statistical data from the National Health Security Office (NHSO) in 2023, Thailand reported 349,126 stroke cases and 36,214 deaths, with most fatalities occurring in individuals under 70 years old. This underscores the severity of stroke as a major health concern, significantly impacting motor functions and cognitive abilities. In recent years, non-invasive brain stimulation techniques have been explored for stroke rehabilitation, with Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) emerging as a widely studied approach. The effectiveness of tDCS is closely linked to electrode shape and size as these factors influence the distribution of the electric field within the brain. This study examines the effects of circular and square electrode shapes using the Finite Element Method (FEM) for three-dimensional (3D) modeling following the 10-20 EEG standard. The analysis focuses on the electric field distribution across six key brain tissue locations which are the left and right primary motor cortices, the left and right leg areas, and the left and right face areas. To investigate the relationship between electric field intensity and parameter variations, five specific cases were analyzed including the effect of stimulation current on the induced electric field, the influence of electrode thickness on the generated electric field, the distribution of the electric field across brain tissues, and the impact of electrode size ค variation on the electric field. Simulation results indicate that increasing the electrode surface area reduces electric field intensity whereas smaller electrodes generate a higher electric field density. However, variations in electrode thickness have no significant effect on the electric field distribution within brain tissues. Regarding electrode design, findings from all four cases across the six stimulation sites suggest that circular electrodes provide higher stimulation efficiency than those with sharp edges. Circular electrodes mitigate the edge effect ensuring more stable current distribution and minimizing discomfort. Furthermore, in the fourth case, where electrode sizes ranging from 5 to 45 cm² were compared, smaller electrodes demonstrated a higher current density leading to increased electric field intensity. Conversely, larger electrodes stimulated a broader brain tissue area reducing stimulation precision and effectiveness. Therefore, using smaller electrodes enables more accurate targeting of specific brain regions enhancing stimulation efficiency.

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

TF-2567-001

ชื่อเรื่อง

การศึกษาและออกแบบขั้วไฟฟ้าสำหรับการกระตุ้นสมองด้วยไฟฟ้ากระแสตรงผ่านกะโหลกศีรษะในการฟื้นฟูผู้ป่วยโรคหลอดเลือดสมอง / Design and study of electrodes for Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) in rehabilitation post stroke

ผู้จัดทำ

นภสินธุ์ เงินรุ่งเรืองโรจน์, ปิยาณี รักทอง, ญาณิศา ศรีวิชัย

อาจารย์ที่ปรึกษา

ดร.อารักษ์ ตระการกูล

ปีการศึกษา

2567 (C.E. 2024)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi2nvpd00550gyrkem49qhx