一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型的制作方法
【专利摘要】一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型，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，有头皮层、颅骨层、脑脊液层、脑皮质层、脑白质层、脑室结构以及由巩膜结构和玻璃体结构构成的眼球结构，脑室结构为独立结构，简化了后续操作。有限元仿真模型具有与真实人体颅脑组织的电导率和相对介电常数相同的电导率和相对介电常数，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。
【专利说明】一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种人体颅脑仿真模型。特别是涉及一种模拟真实人体颅脑电特性分 布的有限元仿真模型。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 综上所述，磁刺激技术的使用和更新的关键是考察交变磁场在颅脑组织内产生感 应电流的分布形态和强度。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，目前国内 外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。由于构造实测仿 体工艺手段的局限，目前国内外的实测仿体只能以球形或简单逼近真实颅脑形态的仿体代 替，复杂的颅脑结构对感应电磁场分布影响不可忽视，因此简单模型的仿真或检测结果不 能反映真实情况。
[0005] 另一方面，国内外所使用的计算机仿真模型，除了美国布鲁克斯空军基地的虚拟 人以外，其余几乎全部由研究者自行构建，但诸多仿真模型对于大脑深部结构的重建鲜有 报道。脑室结构内主要填充电导率相对最高的脑脊液成分，其对磁刺激下颅内感应电磁场 分布的影响不可忽略。在聚焦性磁刺激研究和深度磁刺激研究中，脑深层结构的构建至关 重要。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够获得更加精确、更具说服力的预测 结果，不但适用于经颅磁刺激研究领域，也同样适用于其他人体颅脑组织电磁学研究领域 的模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型。
[0007] 本发明所采用的技术方案是：一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模 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，形成反映所述特定颅脑组织边界信 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，位于头皮层内侧的颅骨层，位于颅骨层内侧的脑脊 液层，位于脑脊液层内侧的脑皮质层，位于脑皮质层内侧的脑白质层，位于脑白质层内侧的 左右侧脑室结构，位于颅骨层的眼眶内的由巩膜结构和位于巩膜结构内的玻璃体结构构成 的眼球结构，所述的有限元仿真模型具有与真实人体颅脑组织的电导率和相对介电常数相 同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-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〇. 40225 X ΚΓ3 - 46. 117S/m，相对介电常数为7. 2453 - 58340 ;所述颅骨层的电导率为0. 02008 - 8. 6554S/ m，相对介电常数为3. 2975 - 55153 ;所述脑脊液层的脑室结构电导率为2 - 76. 558S/m， 相对介电常数为9. 2945 - 109 ;所述脑皮质层的电导率为0. 027512 - 53. 246S/m，相对介 电常数为7. 7561 - 40699000 ;所述脑白质层的电导率为0. 027656 - 28. 009S/m，相对介电 常数为6. 7126 - 27627000 ;所述巩膜结构的电导率为0. 50139 - 58. 589S/m，相对介电常 数为8. 1048 - 2603300 ;所述玻璃体结构的电导率为1. 5 - 77. 388S/m，相对介电常数为 7. 0012 - 99。
[0008] 所述头皮层、颅骨层、脑脊液层、脑皮质层、脑白质层、脑室结构和眼球结构具有能 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。
[0009] 所述的头皮层具有清晰的真实人体颅面部的眼睑、鼻、耳、口、腮、颈部的轮廓特 征。
[0010] 所述的颅骨层具有清晰的眼眶、鼻腔、颧弓、下颌骨和枕骨大孔的结构特征。
[0011] 所述的脑皮质层的表层具有清晰的沟回结构、胼胝体结构和大脑纵裂结构。
[0012] 所述的脑皮质层还包括小脑结构和脑干结构。
[0013] 所述的脑白质层具有沟回结构。
[0014] 所述的脑室结构为独立结构，所述脑室结构的外表面形成闭合的单连通区域。
[0015] 本发明的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型，各颅脑组织的形 态结构以真实人体颅脑组织结构为准构建，包括脑沟回信息、颅骨结构等，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 明考虑了脑室、小脑、脑干、眼球等结构，为磁刺激研究提供更充分的仿真依据；本发明的电 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；本发明中的脑室 结构为独立结构，简化了后续操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0017] 图2是本发明头皮层结构示意图；
[0018] 图3是本发明颅骨层结构示意图正面视图；
[0019] 图4是本发明颅骨层结构示意图底视图；
[0020] 图5是本发明脑皮质层结构示意图侧面视图；
[0021] 图6是本发明脑皮质层结构示意图顶视图。
[0022] 图中
[0023] 1 :头皮层 2 :颅骨层
[0024] 3 :脑脊液层 4 :脑皮质层
[0025] 5:脑白质层 6:脑室结构
[0026] 7 :巩膜结构 8 :玻璃体结构
[0027] 9 :眼睑 10 :鼻
[0028] 11 :耳 12: 口
[0029] 13 :颈部 14 :腮
[0030] 15 :眼眶 16 :鼻腔
[0031] 17:颧弓 18 :下颌骨
[0032] 19 :枕骨大孔 20 :小脑结构
[0033] 21 :脑干结构 22 :沟回结构
[0034] 23 :大脑纵裂结构 24 :胼胝体结构
【具体实施方式】
[0035] 下面结合实施例和附图对本发明的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元 仿真模型做出详细说明。
[0036] 本发明的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型，可更加真实、精 细的反映人体颅脑组织结构特性和电特性分布，具有8种颅脑组织的结构信息和7种颅脑 组织电特性信息，使用该模型进行仿真研究，可获得更加精确、更具说服力的预测结果。本 发明的模型不但适用于经颅磁刺激研究领域，也同样适用于其他人体颅脑组织电磁学研究 领域。
[0037] 如图1所示，本发明的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型，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 Slicer、Brainsuite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，形成反映所述特定颅脑组织边 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。具体包括头皮层1，位于头皮层1内侧的颅骨层2,位于颅骨层2内侧的脑脊液层3， 位于脑脊液层3内侧的脑皮质层4,位于脑皮质层4内侧的脑白质层5,位于脑白质层5内 侧的左右侧脑室结构6,位于颅骨层2的眼眶15内的由巩膜结构7和位于巩膜结构7内的 玻璃体结构8构成的眼球结构，所述的有限元仿真模型具有与真实人体颅脑组织的电导率 和相对介电常数相同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，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，其中，所述头皮层1的电导率为0.40225ΧΚΓ 3 - 46. 117S/ m，相对介电常数为7. 2453 - 58340 ;所述颅骨层2的电导率为0. 02008 - 8. 6554S/m，相对 介电常数为3. 2975 - 55153 ;所述脑脊液层3的脑室结构6电导率为2 - 76. 558S/m，相对 介电常数为9. 2945 - 109 ;所述脑皮质层4的电导率为0. 027512 - 53. 246S/m，相对介电 常数为7. 7561 - 40699000 ;所述脑白质层5的电导率为0. 027656 - 28. 009S/m，相对介电 常数为6. 7126 - 27627000 ;所述巩膜结构7的电导率为0. 50139 - 58. 589S/m，相对介电 常数为8. 1048 - 2603300 ;所述玻璃体结构8的电导率为1. 5 - 77. 388S/m，相对介电常数 为 7. 0012 - 99。
[0038] 所述头皮层1、颅骨层2、脑脊液层3、脑皮质层4、脑白质层5、脑室结构6和眼球结 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，如ANSYS、C0MS0L等，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。
[0039] 如图2所示，所述的头皮层1具有清晰的真实人体颅面部的眼睑9、鼻10、耳11、口 12、腮14、颈部13的轮廓特征。
[0040] 如图3、图4所示，所述的颅骨层2具有清晰的眼眶15、鼻腔16、颧弓17、下颌骨18 和枕骨大孔19的结构特征。
[0041] 如图5所示，所述的脑皮质层4内还包括小脑结构20和脑干结构21。
[0042] 如图6所示，所述的脑皮质层4的表层具有清晰的沟回结构22、胼胝体结构24和 大脑纵裂结构23。所述的脑白质层5也具有沟回结构22。
[0043] 如图1所示，所述的脑室结构6为独立结构，所述脑室结构6的外表面形成闭合的 单连通区域。
[0044] 本发明的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型的实现方法如 下：
[0045] 第一步：将人体颉脑MRI或CT断层扫描图片，以· dicom、· bmp格式或· raw格式导 入3D可视化软件内，如MMICS、AMIRA、3D SlicerJrainsuite等，对所需颅脑组织结构，即 头皮层1、颅骨层2、脑脊液层3、脑皮质层4、脑白质层5、脑室结构6、眼球结构等，进行边界 提取，所涉及算法包括灰度分析、阈值选取、区域增长、磁性套索、光滑、腐蚀及相应的手动 修改。
[0046] 第二步：将所提取的所述组织结构进行3D表面模型重建，并根据运算需求对表面 模型的三角面片数目和形状进行相应的优化。
[0047] 第三步：将上述3D表面模型导入有限元分析软件，如ANSYS、C0MS0L等，进行3D实 体模型重建。
[0048] 第四步：对各颅脑组织结构的3D实体模型进行布尔操作，实现颅脑结构模型的分 层和组装。
[0049] 第五步：选取特定的电特性参数，包括电导率和相对介电常数，分别赋予对应的颅 脑组织结构，生成电特性分布模型。
[0050] 第六步：对上述各组织电特性分布模型进行有限元网格剖分，生成有限元仿真模 型，局部关注区域可以进行网格细化，以提高运算精度。
【权利要求】
1. 一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型，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，形成反映所述特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)内侧的颅骨层（2)，位于颅骨层（2)内侧的 脑脊液层（3)，位于脑脊液层（3)内侧的脑皮质层（4)，位于脑皮质层（4)内侧的脑白质层 (5) ，位于脑白质层（5)内侧的左右侧脑室结构（6)，位于颅骨层（2)的眼眶（15)内的由巩 膜结构（7)和位于巩膜结构（7)内的玻璃体结构（8)构成的眼球结构，所述的有限元仿真 模型具有与真实人体颅脑组织的电导率和相对介电常数相同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-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（1)的电导率为0.40225ΧΚΓ 3 - 46. 117S/m，相对介电常数 为7. 2453 - 58340 ;所述颅骨层（2)的电导率为0. 02008 - 8. 6554S/m，相对介电常数为 3. 2975 - 55153 ;所述脑脊液层（3)的脑室结构（6)电导率为2 - 76. 558S/m，相对介电常 数为9. 2945 - 109 ;所述脑皮质层（4)的电导率为0. 027512 - 53. 246S/m，相对介电常数 为7. 7561 - 40699000 ;所述脑白质层（5)的电导率为0. 027656 - 28. 009S/m，相对介电常 数为6. 7126 - 27627000 ;所述巩膜结构（7)的电导率为0. 50139 - 58. 589S/m，相对介电 常数为8. 1048 - 2603300 ;所述玻璃体结构（8)的电导率为1. 5 - 77. 388S/m，相对介电常 数为 7. 0012 - 99。
2. 根据权利要求1所述的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型，其特 征在于，所述头皮层（1)、颅骨层（2)、脑脊液层（3)、脑皮质层（4)、脑白质层（5)、脑室结构 (6) 和眼球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。
3. 根据权利要求1或2所述的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型， 其特征在于，所述的头皮层（1)具有清晰的真实人体颅面部的眼睑（9)、鼻（10)、耳（11)、口 (12)、腮（14)、颈部（13)的轮廓特征。
4. 根据权利要求1或2所述的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型， 其特征在于，所述的颅骨层（2)具有清晰的眼眶（15)、鼻腔（16)、颧弓（17)、下颌骨（18)和 枕骨大孔（19)的结构特征。
5. 根据权利要求1或2所述的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型， 其特征在于，所述的脑皮质层（4)的表层具有清晰的沟回结构（22)、胼胝体结构（24)和大 脑纵裂结构（23)。
6. 根据权利要求1或2所述的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型， 其特征在于，所述的脑皮质层（4)还包括小脑结构（20)和脑干结构（21)。
7. 根据权利要求1或2所述的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型， 其特征在于，所述的脑白质层（5)具有沟回结构（22)。
8. 根据权利要求1或2所述的一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型， 其特征在于，所述的脑室结构（6)为独立结构，所述脑室结构（6)的外表面形成闭合的单连 通区域。
【文档编号】G06F17/50GK104123416SQ201410347031
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】殷涛, 赵琛, 刘志朋 申请人:中国医学科学院生物医学工程研究所