[發明專利]一種用于深部磁刺激研究的真實人體頭部有限元模型

在審

• 申請號: 201410347061.5
• 申請日: 2014-07-21
• 公開（公告）號: CN104063565A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 殷濤;劉志朋;趙琛
• 申請（專利權）人: 中國醫學科學院生物醫學工程研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種人體頭部有限元模型。特別是涉及一種用于深部磁刺激研究的真實人體頭部有限元模型。

背景技術

經顱磁刺激技術(TMS)是近二、三十年內新興的神經刺激技術，以其無痛無創的特性、便捷的操作方式以及相對于電刺激技術更高的電氣安全特性，深受腦科學、神經科學研究者、以及腦神經系統疾病、精神障礙、神經官能癥等領域臨床醫生的青睞，廣泛應用于抑郁癥、強迫癥、帕金森癥、癲癇和創傷后應激障礙等疾病的物理治療。

人類大腦邊緣系統參與多種神經遞質的分泌，主要負責調節內臟活動、調節中樞神經系統內的感覺信號、影響或產生情緒、影響睡眠活動、參與學習和記憶活動等。邊緣系統與間腦結構在抑郁癥、強迫癥和帕金森癥等研究和治療中逐步成為研究者關注的重點。作用于大腦邊緣系統及間腦部分的Hesed線圈族等一系列深部磁刺激線圈的誕生，使得經顱磁刺激技術(TMS)逐步取代腦深部電刺激(DBS)，進而形成無痛無創的腦深部刺激手段。

經顱磁刺激的基本原理是在刺激線圈中通以時變電流，使線圈外周空間產生交變磁場，該磁場在人體顱腦組織內產生相應的感應電流，當感應電流在特定位置、按照特定方向超過該區域內神經刺激閾值，可使該區域內神經細胞去極化，進而產生誘發電位，以實現神經刺激，進而實現疾病的診斷、治療和神經系統功能研究。

由于在實驗研究過程中，檢測活體內各顱腦組織的感應電流或感應電場需在顱內植入檢測電極，而且也僅能檢測皮層部分的感應電場或感應電流分布，對人體造成的傷害極大，難以實現，且不符合經顱磁刺激無痛無創的宗旨，因此經顱磁刺激技術研究主要是借助計算機仿真和物理實測仿體來實現的。然而，目前國內外相關研究者構建的真實人體頭部模型和實測仿體中，對于邊緣系統和間腦的構建未有報道。邊緣系統是一個復雜的功能系統，因此重建過程存在一定的困難。而深部磁刺激線圈，尤其是Hesed線圈族的設計，多數使用簡單模型或球模型逼近真實頭部特征。邊緣系統的形態特征，直接影響深部磁刺激研究中顱內感應電磁場分布，進而影響預測結果的精確度和可靠性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠反映出磁刺激下人體顱腦內產生的真實感應電磁場分布的用于深部磁刺激研究的真實人體頭部有限元模型。

本發明所采用的技術方案是：一種用于深部磁刺激研究的真實人體頭部有限元模型，是根據人體顱腦MRI或CT斷層掃描圖片進行仿真得到的有限元仿真模型，通過3D可視化軟件工具，對所述的人體顱腦MRI或CT斷層掃描圖片進行灰度分析和閾值選取算法確定能夠反映特定顱腦組織邊界信息的灰度閾值范圍，通過區域增長算法或磁性套索算法或區域增長算法和磁性套索算法選中所述灰度閾值范圍，形成反映所述定顱腦組織邊界信息的蒙板，通過手動修改操作對選中的所述蒙板進行修改使所述蒙板接近真實顱腦組織結構特征，通過3D表面重建算法將所述蒙板重建成為反映真實顱腦組織結構特征的3D表面模型，通過光滑算法或腐蝕算法或光滑算法和腐蝕算法使所述3D表面模型表面平滑以便于后續仿真操作，通過有限元仿真軟件將所述3D表面模型重建為3D實體模型，通過布爾運算算法對所重建的各個所述特定顱腦組織的所述3D實體模型進行分層和組裝，形成具有分層結構的完整真實人體顱腦結構模型，將選取的特定組織電導率和相對介電常數信息賦予所述真實人體顱腦結構模型的對應組織，借助有限元網格剖分工具對所述真實人體顱腦結構模型進行有限元網格剖分，形成模擬真實人體顱腦組織電特性分布的有限元仿真模型，所述的有限元仿真模型包括頭皮層，位于頭皮層內部的邊緣系統結構，位于頭皮層內部并由邊緣系統結構包圍的間腦結構，所述的頭皮層、邊緣系統結構和間腦結構分別具有真實人體顱腦組織的電導率和相對介電常數，所述的電導率和相對介電常數能夠在磁場頻段10-100GHz范圍內從NIREMF公開數據庫根據實際需求選取，并通過有限元仿真軟件將所述電導率和相對介電常數數值賦予所述有限元仿真模型，其中，所述頭皮層的電導率為0.40225×10^-3～46.117S/m，相對介電常數為7.2453～58340，所述邊緣系統結構及間腦結構的電導率為0.027512～53.246S/m，相對介電常數為7.7561～40699000。

所述頭皮層、邊緣系統結構、間腦結構具有能夠供電磁學有限元仿真運算的3D有限元網格模型，能夠借助有限元分析軟件工具進行有限元網格剖分，網格精度能夠在所述有限元分析軟件中進行調節。

所述頭皮層能夠反映真實人體顱面部特征，具有清晰的眼瞼、鼻、耳、口、腮、頸部的輪廓特征。