[发明专利]一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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，所述边缘系统结构及间脑结构的电导率为0.027512～53.246S/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。