TMS应用中基于医学图像的真实头有限元模型建立方法的研究

论文摘要

近年来经颅磁刺激技术（Transcranial magnetic stimulation, TMS）在脑神经与脑功能的科学及临床研究中得到越来越多的关注,并因其无创无痛等特点受到学者与临床工作者青睐。建立适用于TMS的真实头有限元模型是磁刺激仿真工作的关键步骤,是进行TMS感应电磁场以及能量场分布研究的重要前提。本文首先对人体头部生理结构进行深入分析,并结合经颅磁刺激中真实头建模要求,提出建立包括头皮、颅骨、脑脊液、脑灰质、脑白质、小脑和眼球七部分的真实头模型。综合运用医学图像分割方法与工具,采用Materialise公司提供的MIMICS v14.0医学图像控制系统软件进行以经颅磁刺激仿真应用为目的的图像分割,从MRI图像中获得了头皮、颅骨、脑脊液、脑灰质、脑白质、小脑和眼球七种组织,并进行三维重建,建立了包含七部分分类体数据的真实头实体模型,与五层球头模型相比更加贴近TMS应用的真实环境。在此基础上,设定相应的有限元网格剖分原则和标准,结合TMS研究的实际需求,本文采用Materialise公司提供的3-matic v6.0有限元建模软件对所建立的真实头实体模型进行了网格重划及优化,最终建立了TMS应用中真实头有限元模型。TMS主要用于脑科学研究及临床,准确实时地测量磁场强度有着重要意义。此外,其安全性也是应用中需考虑的重要问题。本文对磁刺激过程中所涉及的微秒级脉宽弱磁场的测量与标定方法进行一系列实验研究,自主设计一套磁场标定装置用以准确控制检测线圈与激励线圈间的相对位置与相对高度等条件,实现了微秒级脉冲弱磁场的测量与标定。实验表明,测量结果基本与真值估计值保持一致,该方法可对磁感应强度进行较准确的测量和标定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 经颅磁刺激研究背景
• 1.2 问题的提出
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 头部简单模型发展历程
• 1.3.2 真实头模型研究现状
• 1.4 研究内容与研究目的
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 经颅磁刺激基本原理
• 2.1 TMS神经电生理基础
• 2.1.1 神经元细胞基本结构
• 2.1.2 神经冲动产生机制
• 2.2 TMS理论基础
• 2.2.1 TMS基本原理
• 2.2.2 TMS数学物理基础
• 2.3 小结
• 第三章 基于医学图像的真实头模型建立
• 3.1 真实头建模基本理论与方法
• 3.1.1 头部生理结构基础
• 3.1.1.1 头部层次结构
• 3.1.1.2 脑实质结构与功能
• 3.1.2 建模方法与医学图像获取
• 3.2 医学图像处理方法与工具
• 3.2.1 医学图像处理方法
• 3.2.2 医学图像处理工具
• 3.3 真实头实体模型建立
• 3.3.1 脑实质模型构建
• 3.3.2 脑实质实体模型优化
• 3.3.3 头皮颅骨脑脊液建模
• 3.3.4 真实头模型补充：眼球模型
• 3.4 建模评价方法与结果
• 3.5 小结
• 第四章 有限元模型建立与优化
• 4.1 有限元分析法
• 4.2 有限元网格划分
• 4.2.1 有限元网格剖分原则
• 4.2.2 有限元网格划分工具及流程
• 4.3 真实头模型分网及网格优化
• 4.3.1 网格质量分析
• 4.3.2 有限元网格分网预处理
• 4.3.3 有限元网格重划与优化
• 4.4 真实头有限元建模结果
• 4.5 小结
• 第五章 TMS高频脉冲磁场强度测量实验
• 5.1 TMS高频脉冲磁场测量实验目的
• 5.2 磁场强度测量理论基础
• 5.3 脉冲磁场测量方法
• 5.3.1 脉冲磁场测量装置
• 5.3.2 脉冲磁场测量信号处理方法
• 5.3.2.1 磁场强度测量值计算
• 5.3.2.2 磁场强度真值估计
• 5.4 磁场测量实验及结果
• 5.4.1 重复测量实验
• 5.4.2 不同电压激励测量实验
• 5.4.3 不同频率激励测量实验
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢