一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型的制作方法
【專利摘要】一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型，是根據(jù)人體顱腦MRI或CT斷層掃描圖片通過3D可視化軟件工具，進(jìn)行仿真得到的有限元仿真模型，包括頭皮層、邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、間腦結(jié)構(gòu)，所述的頭皮層、邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和間腦結(jié)構(gòu)分別具有真實(shí)人體顱腦組織的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，所述的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)能夠在磁場(chǎng)頻段10-100GHz范圍內(nèi)從NIREMF公開數(shù)據(jù)庫根據(jù)實(shí)際需求選取，并通過有限元仿真軟件將所述電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)數(shù)值賦予所述有限元仿真模型。本發(fā)明可以反映出磁刺激下人體顱腦內(nèi)產(chǎn)生的真實(shí)感應(yīng)電磁場(chǎng)分布，大大提高了仿真研究的精度和可靠性；本發(fā)明使運(yùn)算簡(jiǎn)化而高效，專門用于腦深部組織電磁生理研究，使用簡(jiǎn)便、靈活。
【專利說明】一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)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(shí)人體頭部有限元模型。

【背景技術(shù)】
[0002] 經(jīng)顱磁刺激技術(shù)（TMS)是近二、三十年內(nèi)新興的神經(jīng)刺激技術(shù)，以其無痛無創(chuàng)的 特性、便捷的操作方式以及相對(duì)于電刺激技術(shù)更高的電氣安全特性，深受腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué) 研究者、以及腦神經(jīng)系統(tǒng)疾病、精神障礙、神經(jīng)官能癥等領(lǐng)域臨床醫(yī)生的青睞，廣泛應(yīng)用于 抑郁癥、強(qiáng)迫癥、帕金森癥、癲癇和創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙等疾病的物理治療。
[0003] 人類大腦邊緣系統(tǒng)參與多種神經(jīng)遞質(zhì)的分泌，主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)內(nèi)臟活動(dòng)、調(diào)節(jié)中樞 神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的感覺信號(hào)、影響或產(chǎn)生情緒、影響睡眠活動(dòng)、參與學(xué)習(xí)和記憶活動(dòng)等。邊緣系 統(tǒng)與間腦結(jié)構(gòu)在抑郁癥、強(qiáng)迫癥和帕金森癥等研究和治療中逐步成為研究者關(guān)注的重點(diǎn)。 作用于大腦邊緣系統(tǒng)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(jīng) 顱磁刺激技術(shù)（TMS)逐步取代腦深部電刺激（DBS)，進(jìn)而形成無痛無創(chuàng)的腦深部刺激手段。
[0004] 經(jīng)顱磁刺激的基本原理是在刺激線圈中通以時(shí)變電流，使線圈外周空間產(chǎn)生交變 磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在人體顱腦組織內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，當(dāng)感應(yīng)電流在特定位置、按照特定方 向超過該區(qū)域內(nèi)神經(jīng)刺激閾值，可使該區(qū)域內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞去極化，進(jìn)而產(chǎn)生誘發(fā)電位，以實(shí)現(xiàn) 神經(jīng)刺激，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)疾病的診斷、治療和神經(jīng)系統(tǒng)功能研究。
[0005] 由于在實(shí)驗(yàn)研究過程中，檢測(cè)活體內(nèi)各顱腦組織的感應(yīng)電流或感應(yīng)電場(chǎng)需在顱內(nèi) 植入檢測(cè)電極，而且也僅能檢測(cè)皮層部分的感應(yīng)電場(chǎng)或感應(yīng)電流分布，對(duì)人體造成的傷害 極大，難以實(shí)現(xiàn)，且不符合經(jīng)顱磁刺激無痛無創(chuàng)的宗旨，因此經(jīng)顱磁刺激技術(shù)研究主要是借 助計(jì)算機(jī)仿真和物理實(shí)測(cè)仿體來實(shí)現(xiàn)的。然而，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者構(gòu)建的真實(shí)人體頭 部模型和實(shí)測(cè)仿體中，對(duì)于邊緣系統(tǒng)和間腦的構(gòu)建未有報(bào)道。邊緣系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的功能 系統(tǒng)，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(shè)計(jì)，多 數(shù)使用簡(jiǎn)單模型或球模型逼近真實(shí)頭部特征。邊緣系統(tǒng)的形態(tài)特征，直接影響深部磁刺激 研究中顱內(nèi)感應(yīng)電磁場(chǎng)分布，進(jìn)而影響預(yù)測(cè)結(jié)果的精確度和可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠反映出磁刺激下人體顱腦內(nèi)產(chǎn)生的 真實(shí)感應(yīng)電磁場(chǎng)分布的用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模 型，是根據(jù)人體顱腦MRI或CT斷層掃描圖片進(jìn)行仿真得到的有限元仿真模型，通過3D可 視化軟件工具，對(duì)所述的人體顱腦MRI或CT斷層掃描圖片進(jìn)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(qū)域增長(zhǎng)算法或磁性套索算法 或區(qū)域增長(zhǎng)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(dòng)修改操作對(duì)選中的所述蒙板進(jìn)行修改使所述蒙板接近真實(shí)顱腦組織結(jié) 構(gòu)特征，通過3D表面重建算法將所述蒙板重建成為反映真實(shí)顱腦組織結(jié)構(gòu)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(xù)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(shí)體模型，通過布爾 運(yùn)算算法對(duì)所重建的各個(gè)所述特定顱腦組織的所述3D實(shí)體模型進(jìn)行分層和組裝，形成具 有分層結(jié)構(gòu)的完整真實(shí)人體顱腦結(jié)構(gòu)模型，將選取的特定組織電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)信息 賦予所述真實(shí)人體顱腦結(jié)構(gòu)模型的對(duì)應(yīng)組織，借助有限元網(wǎng)格剖分工具對(duì)所述真實(shí)人體顱 腦結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，形成模擬真實(shí)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(nèi)部的邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，位于頭皮層內(nèi)部 并由邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包圍的間腦結(jié)構(gòu)，所述的頭皮層、邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和間腦結(jié)構(gòu)分別具有真 實(shí)人體顱腦組織的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，所述的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)能夠在磁場(chǎng)頻 段ΙΟ-lOOGHz范圍內(nèi)從NIREMF公開數(shù)據(jù)庫根據(jù)實(shí)際需求選取，并通過有限元仿真軟件將 所述電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)數(shù)值賦予所述有限元仿真模型，其中，所述頭皮層的電導(dǎo)率為 0. 40225 ΧΚΓ3?46. 117S/m，相對(duì)介電常數(shù)為7. 2453?58340,所述邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及間腦 結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率為〇. 027512?53. 246S/m，相對(duì)介電常數(shù)為7. 7561?40699000。
[0008] 所述頭皮層、邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、間腦結(jié)構(gòu)具有能夠供電磁學(xué)有限元仿真運(yùn)算的3D有 限元網(wǎng)格模型，能夠借助有限元分析軟件工具進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格精度能夠在所述 有限元分析軟件中進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0009] 所述頭皮層能夠反映真實(shí)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。
[0010] 所述邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)區(qū)域包括：隔區(qū)、扣帶回、胼胝體回、海馬旁回、乳頭體、穹窿、海 馬和杏仁核的輪廓信息。
[0011] 所述間腦結(jié)構(gòu)包括尾狀核體結(jié)構(gòu)和位于尾狀核體結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的背側(cè)丘腦。
[0012] 本發(fā)明的一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型，頭皮、邊緣系統(tǒng) 和間腦的形態(tài)結(jié)構(gòu)以真實(shí)人體顱腦組織結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)構(gòu)建，可以反映出磁刺激下人體顱腦內(nèi)產(chǎn) 生的真實(shí)感應(yīng)電磁場(chǎng)分布，大大提高了仿真研究的精度和可靠性；本發(fā)明僅包含邊緣系統(tǒng) 和間腦結(jié)構(gòu)特征，使運(yùn)算簡(jiǎn)化而高效，專門用于腦深部組織電磁生理研究；本發(fā)明的電生理 特性可在磁場(chǎng)頻率lO-lOOGHz下根據(jù)實(shí)際需求選取，使用簡(jiǎn)便、靈活。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明頭皮結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖4是間腦結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖中
[0018] 1 :頭皮層 2 :邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
[0019] 3:間腦結(jié)構(gòu) 4:隔區(qū)
[0020] 5 :扣帶回 6 :胼胝體回
[0021] 7 :海馬旁回 8 :乳頭體
[0022] 9 :穹窿 10 :海馬
[0023] 11:杏仁核 12:背側(cè)丘腦
[0024] 13 :尾狀核體結(jié)構(gòu)14 :眼瞼
[0025] 15 :鼻 16 :耳
[0026] 17 : 口 18 :頸部
[0027] 19 :腮

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有 限元模型做出詳細(xì)說明。
[0029] 本發(fā)明的一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型，是根據(jù)人體顱腦 MRI或CT斷層掃描圖片進(jìn)行仿真得到的有限元仿真模型。以.dicom、. bmp格式或.raw格 式導(dǎo)入3D可視化軟件內(nèi)，如MIMICS、AMIRA、3D SlicerJrainsuite等，通過3D可視化軟件 工具，對(duì)所述的人體顱腦MRI或CT斷層掃描圖片進(jìn)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(qū)域增長(zhǎng)算法或磁性套索算法或區(qū)域增長(zhǎng) 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(dòng)修改操作對(duì)選中的所述蒙板進(jìn)行修改使所述蒙板接近真實(shí)顱腦組織結(jié)構(gòu)特征，通 過3D表面重建算法將所述蒙板重建成為反映真實(shí)顱腦組織結(jié)構(gòu)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(xù)仿真 操作，通過有限元仿真軟件如ANSYS、C0MS0L等，將所述3D表面模型重建為3D實(shí)體模型，通 過布爾運(yùn)算算法對(duì)所重建的各個(gè)所述特定顱腦組織的所述3D實(shí)體模型進(jìn)行分層和組裝， 形成具有分層結(jié)構(gòu)的完整真實(shí)人體顱腦結(jié)構(gòu)模型，將選取的特定組織電導(dǎo)率和相對(duì)介電常 數(shù)信息賦予所述真實(shí)人體顱腦結(jié)構(gòu)模型的對(duì)應(yīng)組織，借助有限元網(wǎng)格剖分工具對(duì)所述真實(shí) 人體顱腦結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，形成模擬真實(shí)人體顱腦組織電特性分布的有限元 仿真模型。
[0030] 如圖1所示，所述的有限元仿真模型包括頭皮層1，位于頭皮層1內(nèi)部的邊緣系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)2,位于頭皮層1內(nèi)部并由邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2包圍的間腦結(jié)構(gòu)3,所述的頭皮層1、邊緣 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2和間腦結(jié)構(gòu)3分別具有真實(shí)人體顱腦組織的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，所述的電 導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)能夠在磁場(chǎng)頻段lO-lOOGHz范圍內(nèi)從NIREMF公開數(shù)據(jù)庫根據(jù)實(shí)際需 求選取，并通過有限元仿真軟件將所述電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)數(shù)值賦予所述有限元仿真模 型，其中，所述頭皮層1的電導(dǎo)率為〇. 40225 X ΚΓ3?46. 117S/m，相對(duì)介電常數(shù)為7. 2453? 58340,所述邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2及間腦結(jié)構(gòu)3的電導(dǎo)率為0. 027512?53. 246S/m，相對(duì)介電常 數(shù)為 7. 7561 ?40699000。
[0031] 所述頭皮層1、邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、間腦結(jié)構(gòu)3具有能夠供電磁學(xué)有限元仿真運(yùn)算的 3D有限元網(wǎng)格模型，能夠借助有限元分析軟件工具進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格精度能夠在 所述有限元分析軟件中進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0032] 如圖2所示，所述頭皮層1能夠反映真實(shí)人體顱面部特征，具有清晰的眼瞼14、鼻 15、耳16、口 17、腮19、頸部18的輪廓特征。
[0033] 如圖3所示，所述邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2區(qū)域包括：隔區(qū)4、扣帶回5、胼胝體回6、海馬旁 回7、乳頭體8、穹窿9、海馬10和杏仁核11的輪廓信息。
[0034] 如圖4所示，所述間腦結(jié)構(gòu)3包括尾狀核體結(jié)構(gòu)13和位于尾狀核體結(jié)構(gòu)13內(nèi)側(cè) 的背側(cè)丘腦12。
[0035] 本發(fā)明的一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型的實(shí)現(xiàn)方法如 下：
[0036] 第一步：將人體頡腦MRI或CT斷層掃描圖片，以.dicom、. bmp格式或.raw格式 導(dǎo)入3D可視化軟件內(nèi)，如MMICS、AMIRA、3D Slicer、Brainsuite等，對(duì)頭皮層、邊緣系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)、間腦結(jié)構(gòu)，進(jìn)行邊界提取，所涉及算法包括灰度分析、閾值選取、區(qū)域增長(zhǎng)、磁性套索、光 滑、腐蝕及相應(yīng)的手動(dòng)修改；
[0037] 第二步：將所提取的所述組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D表面模型重建，并根據(jù)運(yùn)算需求對(duì)表面 模型的三角面片數(shù)目和形狀進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化；
[0038] 第三步：將上述3D表面模型導(dǎo)入有限元分析軟件，如ANSYS、C0MS0L等，進(jìn)行3D實(shí) 體模型重建；
[0039] 第四步：對(duì)各顱腦組織結(jié)構(gòu)的上述3D實(shí)體模型進(jìn)行布爾操作，實(shí)現(xiàn)顱腦結(jié)構(gòu)模型 的分層和組裝；
[0040] 第五步：選取特定的電特性參數(shù)，包括電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，分別賦予對(duì)應(yīng)的顱 腦組織結(jié)構(gòu)，生成電特性分布模型；
[0041] 第六步：對(duì)上述各組織電特性分布模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，生成有限元仿真模 型，邊緣系統(tǒng)和間腦區(qū)域可以進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以提高運(yùn)算精度。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型，是根據(jù)人體顱腦MRI或CT斷 層掃描圖片進(jìn)行仿真得到的有限元仿真模型，其特征在于，通過3D可視化軟件工具，對(duì)所 述的人體顱腦MRI或CT斷層掃描圖片進(jìn)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(qū)域增長(zhǎng)算法或磁性套索算法或區(qū)域增長(zhǎng)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(dòng) 修改操作對(duì)選中的所述蒙板進(jìn)行修改使所述蒙板接近真實(shí)顱腦組織結(jié)構(gòu)特征，通過3D表 面重建算法將所述蒙板重建成為反映真實(shí)顱腦組織結(jié)構(gòu)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(xù)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(shí)體模型，通過布爾運(yùn)算算法對(duì)所重建 的各個(gè)所述特定顱腦組織的所述3D實(shí)體模型進(jìn)行分層和組裝，形成具有分層結(jié)構(gòu)的完整 真實(shí)人體顱腦結(jié)構(gòu)模型，將選取的特定組織電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)信息賦予所述真實(shí)人體 顱腦結(jié)構(gòu)模型的對(duì)應(yīng)組織，借助有限元網(wǎng)格剖分工具對(duì)所述真實(shí)人體顱腦結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有 限元網(wǎng)格剖分，形成模擬真實(shí)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（1)，位于頭皮層（1)內(nèi)部的邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2)，位于頭皮層（1)內(nèi)部 并由邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2)包圍的間腦結(jié)構(gòu)（3)，所述的頭皮層（1)、邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2)和間腦 結(jié)構(gòu)（3)分別具有真實(shí)人體顱腦組織的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，所述的電導(dǎo)率和相對(duì)介電 常數(shù)能夠在磁場(chǎng)頻段lO-lOOGHz范圍內(nèi)從NIREMF公開數(shù)據(jù)庫根據(jù)實(shí)際需求選取，并通過 有限元仿真軟件將所述電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)數(shù)值賦予所述有限元仿真模型，其中，所述 頭皮層（1)的電導(dǎo)率為0.40225 ΧΚΓ3?46. 117S/m，相對(duì)介電常數(shù)為7. 2453?58340,所 述邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2)及間腦結(jié)構(gòu)（3)的電導(dǎo)率為0.027512?53. 246S/m，相對(duì)介電常數(shù)為 7.7561 ?40699000。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型，其特 征在于，所述頭皮層（1)、邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2)、間腦結(jié)構(gòu)（3)具有能夠供電磁學(xué)有限元仿真運(yùn) 算的3D有限元網(wǎng)格模型，能夠借助有限元分析軟件工具進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格精度能 夠在所述有限元分析軟件中進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模 型，其特征在于，所述頭皮層（1)能夠反映真實(shí)人體顱面部特征，具有清晰的眼瞼（14)、鼻 (15)、耳（16)、口（17)、腮（19)、頸部（18)的輪廓特征。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型， 其特征在于，所述邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2)區(qū)域包括：隔區(qū)（4)、扣帶回（5)、胼胝體回（6)、海馬旁 回（7)、乳頭體（8)、穹窿（9)、海馬（10)和杏仁核（11)的輪廓信息。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于深部磁刺激研究的真實(shí)人體頭部有限元模型， 其特征在于，所述間腦結(jié)構(gòu)（3)包括尾狀核體結(jié)構(gòu)（13)和位于尾狀核體結(jié)構(gòu)（13)內(nèi)側(cè)的 背側(cè)丘腦（12)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104063565SQ201410347061
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】殷濤, 劉志朋, 趙琛 申請(qǐng)人:中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所