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1、10申请公布号CN104063565A43申请公布日20140924CN104063565A21申请号201410347061522申请日20140721G06F17/50200601G06T17/0020060171申请人中国医学科学院生物医学工程研究所地址300192天津市南开区白堤路236号72发明人殷涛刘志朋赵琛74专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所12201代理人杜文茹54发明名称一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型57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，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。
2、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10100GHZ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；本发明使运算简化而高效，专门用于脑深部组织电磁生理研究，使用简便、灵活。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图3页10申请公布。
3、号CN104063565ACN104063565A1/1页21一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，。
4、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。
5、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10100GHZ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04022510346117S/M，相对介电常数为7245358340，所述边缘系统结构2及间脑结构3的电导率为002751253246S/M，相对介电常数为7756140699000。2根据权利要求1所述的一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型，其特征在于，所述头皮层1、边缘系统结构2、间脑结构3具有能够。
6、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所述的一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型，其特征在于，所述头皮层1能够反映真实人体颅面部特征，具有清晰的眼睑14、鼻15、耳16、口17、腮19、颈部18的轮廓特征。4根据权利要求1或2所述的一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型，其特征在于，所述边缘系统结构2区域包括隔区4、扣带回5、胼胝体回6、海马旁回7、乳头体8、穹窿9、海马10和杏仁核11的轮廓信息。5根据权利要求1或2所述的一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有。
7、限元模型，其特征在于，所述间脑结构3包括尾状核体结构13和位于尾状核体结构13内侧的背侧丘脑12。权利要求书CN104063565A1/4页3一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型技术领域0001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。
8、治疗。0003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。0004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。
9、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。0005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。
10、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0006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。0007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。
11、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说明书CN104063565A2/4页4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。
12、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10100GHZ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04022510346117S/M，相对介电常数为7245358340，所述边。
13、缘系统结构及间脑结构的电导率为002751253246S/M，相对介电常数为7756140699000。0008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。0009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。0010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。0011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。0012本发明的一种用于深部磁刺激研究的真实。
14、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；本发明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；本发明的电生理特性可在磁场频率10100GHZ下根据实际需求选取，使用简便、灵活。附图说明0013图1是本发明整体结构示意图；0014图2是本发明头皮结构示意图；0015图3是本发明边缘系统结构示意图；0016图4是间脑结构示意图。0017图中00181头皮层2边缘系统结构00193间脑结构4隔区00205扣带回6胼胝体回00217海马旁回8。
15、乳头体00229穹窿10海马说明书CN104063565A3/4页5002311杏仁核12背侧丘脑002413尾状核体结构14眼睑002515鼻16耳002617口18颈部002719腮具体实施方式0028下面结合实施例和附图对本发明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。0029本发明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、3DSLICER、BRAINSUITE等，通过3D可视化软件工具，对所述的人体颅脑MR。
16、I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、COMSOL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特定颅脑组织的所述3D实体。
17、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。0030如图1所示，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10100GHZ范围内从NIREMF公开数据库根据实际需求选取，并。
18、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04022510346117S/M，相对介电常数为7245358340，所述边缘系统结构2及间脑结构3的电导率为002751253246S/M，相对介电常数为7756140699000。0031所述头皮层1、边缘系统结构2、间脑结构3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。0032如图2所示，所述头皮层1能够反映真实人体颅面部特征，具有清晰的眼睑14、鼻15、耳16、口17、腮19、颈部18的轮。
19、廓特征。0033如图3所示，所述边缘系统结构2区域包括隔区4、扣带回5、胼胝体回6、海马旁回7、乳头体8、穹窿9、海马10和杏仁核11的轮廓信息。说明书CN104063565A4/4页60034如图4所示，所述间脑结构3包括尾状核体结构13和位于尾状核体结构13内侧的背侧丘脑12。0035本发明的一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型的实现方法如下0036第一步将人体颅脑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MIMICS、AMIRA、3DSLICER、BRAINSUITE等，对头皮层、边缘系统结构、间脑结构，进行边界提取，所涉及算法包括灰。
20、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；0037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；0038第三步将上述3D表面模型导入有限元分析软件，如ANSYS、COMSOL等，进行3D实体模型重建；0039第四步对各颅脑组织结构的上述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；0040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；0041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，边缘系统和间脑区域可以进行网格细化，以提高运算精度。说明书CN104063565A1/3页7图1说明书附图CN104063565A2/3页8图2图3说明书附图CN104063565A3/3页9图4说明书附图CN104063565A。