一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型，是根据人体颅脑MRI或CT断层扫描图片通过3D可视化软件工具，进行仿真得到的有限元仿真模型，包括头皮层、边缘系统结构、间脑结构，所述的头皮层、边缘系统结构和间脑结构分别具有真实人体颅脑组织的电导率和相对介电常数，所述的电导率和相对介电常数能够在磁场频段10-100GHz范围内从NIREMF公开数据库根据实际需求选取，并通过有限元仿真软件将所述电导率和相对介电常数数值赋予所述有限元仿真模型。本发明专利技术可以反映出磁刺激下人体颅脑内产生的真实感应电磁场分布，大大提高了仿真研究的精度和可靠性；本发明专利技术使运算简化而高效，专门用于脑深部组织电磁生理研究，使用简便、灵活。
【技术实现步骤摘要】
一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型
本专利技术涉及一种人体头部有限元模型。特别是涉及一种用于深部磁刺激研究的真 实人体头部有限元模型。
技术介绍
经颅磁刺激技术（TMS)是近二、三十年内新兴的神经刺激技术，以其无痛无创的 特性、便捷的操作方式以及相对于电刺激技术更高的电气安全特性，深受脑科学、神经科学 研究者、以及脑神经系统疾病、精神障碍、神经官能症等领域临床医生的青睐，广泛应用于 抑郁症、强迫症、帕金森症、癫痫和创伤后应激障碍等疾病的物理治疗。 人类大脑边缘系统参与多种神经递质的分泌，主要负责调节内脏活动、调节中枢 神经系统内的感觉信号、影响或产生情绪、影响睡眠活动、参与学习和记忆活动等。边缘系 统与间脑结构在抑郁症、强迫症和帕金森症等研究和治疗中逐步成为研究者关注的重点。 作用于大脑边缘系统及间脑部分的Hesed线圈族等一系列深部磁刺激线圈的诞生，使得经 颅磁刺激技术（TMS)逐步取代脑深部电刺激（DBS)，进而形成无痛无创的脑深部刺激手段。 经颅磁刺激的基本原理是在刺激线圈中通以时变电流，使线圈外周空间产生交变 磁场，该磁场在人体颅脑组织内产生相应的感应电流，当感应电流在特定位置、按照特定方 向超过该区域内神经刺激阈值，可使该区域内神经细胞去极化，进而产生诱发电位，以实现 神经刺激，进而实现疾病的诊断、治疗和神经系统功能研究。 由于在实验研究过程中，检测活体内各颅脑组织的感应电流或感应电场需在颅内 植入检测电极，而且也仅能检测皮层部分的感应电场或感应电流分布，对人体造成的伤害 极大，难以实现，且不符合经颅磁刺激无痛无创的宗旨，因此经颅磁刺激技术研究主要是借 助计算机仿真和物理实测仿体来实现的。然而，目前国内外相关研究者构建的真实人体头 部模型和实测仿体中，对于边缘系统和间脑的构建未有报道。边缘系统是一个复杂的功能 系统，因此重建过程存在一定的困难。而深部磁刺激线圈，尤其是Hesed线圈族的设计，多 数使用简单模型或球模型逼近真实头部特征。边缘系统的形态特征，直接影响深部磁刺激 研究中颅内感应电磁场分布，进而影响预测结果的精确度和可靠性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够反映出磁刺激下人体颅脑内产生的 真实感应电磁场分布的用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型。 本专利技术所采用的技术方案是：一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模 型，是根据人体颅脑MRI或CT断层扫描图片进行仿真得到的有限元仿真模型，通过3D可 视化软件工具，对所述的人体颅脑MRI或CT断层扫描图片进行灰度分析和阈值选取算法 确定能够反映特定颅脑组织边界信息的灰度阈值范围，通过区域增长算法或磁性套索算法 或区域增长算法和磁性套索算法选中所述灰度阈值范围，形成反映所述定颅脑组织边界信 息的蒙板，通过手动修改操作对选中的所述蒙板进行修改使所述蒙板接近真实颅脑组织结 构特征，通过3D表面重建算法将所述蒙板重建成为反映真实颅脑组织结构特征的3D表面 模型，通过光滑算法或腐蚀算法或光滑算法和腐蚀算法使所述3D表面模型表面平滑以便 于后续仿真操作，通过有限元仿真软件将所述3D表面模型重建为3D实体模型，通过布尔 运算算法对所重建的各个所述特定颅脑组织的所述3D实体模型进行分层和组装，形成具 有分层结构的完整真实人体颅脑结构模型，将选取的特定组织电导率和相对介电常数信息 赋予所述真实人体颅脑结构模型的对应组织，借助有限元网格剖分工具对所述真实人体颅 脑结构模型进行有限元网格剖分，形成模拟真实人体颅脑组织电特性分布的有限元仿真模 型，所述的有限元仿真模型包括头皮层，位于头皮层内部的边缘系统结构，位于头皮层内部 并由边缘系统结构包围的间脑结构，所述的头皮层、边缘系统结构和间脑结构分别具有真 实人体颅脑组织的电导率和相对介电常数，所述的电导率和相对介电常数能够在磁场频 段ΙΟ-lOOGHz范围内从NIREMF公开数据库根据实际需求选取，并通过有限元仿真软件将 所述电导率和相对介电常数数值赋予所述有限元仿真模型，其中，所述头皮层的电导率为 0. 40225 ΧΚΓ3?46. 117S/m，相对介电常数为7. 2453?58340,所述边缘系统结构及间脑 结构的电导率为〇. 027512?53. 246S/m，相对介电常数为7. 7561?40699000。 所述头皮层、边缘系统结构、间脑结构具有能够供电磁学有限元仿真运算的3D有 限元网格模型，能够借助有限元分析软件工具进行有限元网格剖分，网格精度能够在所述 有限元分析软件中进行调节。 所述头皮层能够反映真实人体颅面部特征，具有清晰的眼睑、鼻、耳、口、腮、颈部 的轮廓特征。 所述边缘系统结构区域包括：隔区、扣带回、胼胝体回、海马旁回、乳头体、穹窿、海 马和杏仁核的轮廓信息。 所述间脑结构包括尾状核体结构和位于尾状核体结构内侧的背侧丘脑。 本专利技术的一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型，头皮、边缘系统 和间脑的形态结构以真实人体颅脑组织结构为准构建，可以反映出磁刺激下人体颅脑内产 生的真实感应电磁场分布，大大提高了仿真研究的精度和可靠性；本专利技术仅包含边缘系统 和间脑结构特征，使运算简化而高效，专门用于脑深部组织电磁生理研究；本专利技术的电生理 特性可在磁场频率lO-lOOGHz下根据实际需求选取，使用简便、灵活。 【附图说明】 图1是本专利技术整体结构示意图； 图2是本专利技术头皮结构示意图； 图3是本专利技术边缘系统结构示意图； 图4是间脑结构示意图。 图中 1 :头皮层 2 :边缘系统结构 3:间脑结构 4:隔区 5 :扣带回 6 :胼胝体回 7 :海马旁回 8 :乳头体 9 :穹窿 10 :海马 11:杏仁核 12:背侧丘脑 13 :尾状核体结构14 :眼睑 15 :鼻 16 :耳 17 : 口 18 :颈部 19 :腮 【具体实施方式】 下面结合实施例和附图对本专利技术的一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有 限元模型做出详细说明。 本专利技术的一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型，是根据人体颅脑 MRI或CT断层扫描图片进行仿真得到的有限元仿真模型。以.dicom、. bmp格式或.raw格 式导入3D可视化软件内，如MIMICS、AMIRA、3D SlicerJrainsuite等，通过3D可视化软件 工具，对所述的人体颅脑MRI或CT断层扫描图片进行灰度分析和阈值选取算法确定能够反 映特定颅脑组织边界信息的灰度阈值范围，通过区域增长算法或磁性套索算法或区域增长 算法和磁性套索算法选中所述灰度阈值范围，形成反映所述定颅脑组织边界信息的蒙板， 通过手动修改操作对选中的所述蒙板进行修改使所述蒙板接近真实颅脑组织结构特征，通 过3D表面重建算法将所述蒙板重建成为反映真实颅脑组织结构特征的3D表面模型，通过 光滑算法或腐蚀算法或光滑算法和腐蚀算法使所述3D表面模型表面平滑以便于后续仿真 操作，通过有限元仿真软件如ANSYS、C0MS0L等，将所述3D表面模型重建为3D实体模型，通 过布尔运算算法对所重建的各个所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型，是根据人体颅脑MRI或CT断层扫描图片进行仿真得到的有限元仿真模型，其特征在于，通过3D可视化软件工具，对所述的人体颅脑MRI或CT断层扫描图片进行灰度分析和阈值选取算法确定能够反映特定颅脑组织边界信息的灰度阈值范围，通过区域增长算法或磁性套索算法或区域增长算法和磁性套索算法选中所述灰度阈值范围，形成反映所述定颅脑组织边界信息的蒙板，通过手动修改操作对选中的所述蒙板进行修改使所述蒙板接近真实颅脑组织结构特征，通过3D表面重建算法将所述蒙板重建成为反映真实颅脑组织结构特征的3D表面模型，通过光滑算法或腐蚀算法或光滑算法和腐蚀算法使所述3D表面模型表面平滑以便于后续仿真操作，通过有限元仿真软件将所述3D表面模型重建为3D实体模型，通过布尔运算算法对所重建的各个所述特定颅脑组织的所述3D实体模型进行分层和组装，形成具有分层结构的完整真实人体颅脑结构模型，将选取的特定组织电导率和相对介电常数信息赋予所述真实人体颅脑结构模型的对应组织，借助有限元网格剖分工具对所述真实人体颅脑结构模型进行有限元网格剖分，形成模拟真实人体颅脑组织电特性分布的有限元仿真模型，所述的有限元仿真模型包括头皮层(1)，位于头皮层(1)内部的边缘系统结构(2)，位于头皮层(1)内部并由边缘系统结构(2)包围的间脑结构(3)，所述的头皮层(1)、边缘系统结构(2)和间脑结构(3)分别具有真实人体颅脑组织的电导率和相对介电常数，所述的电导率和相对介电常数能够在磁场频段10‑100GHz范围内从NIREMF公开数据库根据实际需求选取，并通过有限元仿真软件将所述电导率和相对介电常数数值赋予所述有限元仿真模型，其中，所述头皮层(1)的电导率为0.40225×10‑3～46.117S/m，相对介电常数为7.2453～58340，所述边缘系统结构(2)及间脑结构(3)的电导率为0.027512～53.246S/m，相对介电常数为7.7561～40699000。...
【技术特征摘要】
1. 一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型，是根据人体颅脑MRI或CT断 层扫描图片进行仿真得到的有限元仿真模型，其特征在于，通过3D可视化软件工具，对所 述的人体颅脑MRI或CT断层扫描图片进行灰度分析和阈值选取算法确定能够反映特定颅 脑组织边界信息的灰度阈值范围，通过区域增长算法或磁性套索算法或区域增长算法和磁 性套索算法选中所述灰度阈值范围，形成反映所述定颅脑组织边界信息的蒙板，通过手动 修改操作对选中的所述蒙板进行修改使所述蒙板接近真实颅脑组织结构特征，通过3D表 面重建算法将所述蒙板重建成为反映真实颅脑组织结构特征的3D表面模型，通过光滑算 法或腐蚀算法或光滑算法和腐蚀算法使所述3D表面模型表面平滑以便于后续仿真操作， 通过有限元仿真软件将所述3D表面模型重建为3D实体模型，通过布尔运算算法对所重建 的各个所述特定颅脑组织的所述3D实体模型进行分层和组装，形成具有分层结构的完整 真实人体颅脑结构模型，将选取的特定组织电导率和相对介电常数信息赋予所述真实人体 颅脑结构模型的对应组织，借助有限元网格剖分工具对所述真实人体颅脑结构模型进行有 限元网格剖分，形成模拟真实人体颅脑组织电特性分布的有限元仿真模型，所述的有限元 仿真模型包括头皮层（1)，位于头皮层（1)内部的边缘系统结构（2)，位于头皮层（1)内部 并由边缘系统结构（2)包围的间脑结构（3)，所述的头皮层（1)、边缘系统结构（2)和间脑 结构（3)分别具有真实人体颅脑组织的电导率和相对介电常数，所述的电导率和相对介电 常数能够在磁场频段lO-lOOGH...
【专利技术属性】
技术研发人员：殷涛，刘志朋，赵琛，
申请(专利权)人：中国医学科学院生物医学工程研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12
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