基于TMS的头部模型的建立及仿真研究

摘要

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)是一种治疗神经疾病和精神疾病的绿色治疗手段。头部数值模型的建立在TMS仿真实验研究中占有重要的地位。以往的头部模型都是采用简单的球形头部模型进行仿真分析，事实上，球形头部模型和真实头部模型之间具有很大的差距。为使整个实验更具有准确性和真实性，本文中使用核磁共振图像来完成头部数值模型的三维重建，使头部模型更接近实际情况。
　　首先，本文提出一种新的真实头部数值模型重建方法。头部组织的分割方法主要包括灰度阈值分割、形态学操作、区域增长、手动编辑和非流行装配等。在组织分割过程中，采用自动和手动相结合的分割方式，从而更加灵活方便地建立出一个较为精确的真实头部数值模型。重建后的模型包含头皮颅骨、脑脊液、灰质和白质四层组织结构。
　　其次，对重构的头部数值模型进行质量检查和正确性验证实验。在静态实验中，仿真结果和理论结果的相对误差在工程误差允许范围内，该实验结果证明了模型建立方法的正确性及有限元计算方法的正确性。
　　最后，对数值头部模型进行TMS脉冲磁场仿真实验。头部各部分组织的场量分布结果可通过有限元计算得到，根据各部分组织上的场量分布结果，可通过适当调整TMS刺激参数，如线圈参数、激励源脉冲电流大小、线圈和头部的相对位置等，来满足临床实验的要求。
　　TMS作用产生的感应电流对临床治疗具有重要的意义，如果没有预先估算刺激线圈产生的场强，而是直接作用于人体，可能会对人体造成伤害。因此，TMS真实头部数值模型的三维重建及人脑组织内部的感应电场和感应电流的有限元计算在临床应用中具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 经颅磁刺激作用机理

1．2 国内外研究现状及存在的问题

1．3 本课题研究的目的和意义

1．4 本文的主要内容和难点

1．5 本章小结

第二章 理论基础

2．1 物理基础

2．1．1 电磁场的基本原理

2．1．2 人体头部组织内部的感应电场

2．2 生物医学基础

2．2．1 大脑皮质

2．2．2 神经系统

2．2．3 电磁场的生物磁效应

2．3 图像基础

2．3．1 图像格式

2．3．2 核磁共振图像

2．3．3 像素的邻域和邻接

2．4 软件基础

2．4．1 MIMICS医学图像处理软件

2．4．2 ANSYS有限元分析软件

2．5 本章小结

第三章 头部数值模型的三维重建

3．1 TMS系统仿真模型

3．1．1 模型建立方案

3．1．2 头部MRI图像

3．2 头部组织分割过程

3．2．1 白质组织

3．2．2 灰质组织

3．2．3 脑脊液组织

3．2．4 头皮和颅骨组织

3．2．5 非流行装配

3．3 有限元体网格的建立

3．3．1 体网格的建立过程

3．3．2 模型的重构结果

3．4 本章小结

第四章 静态实验模型验证

4．1 静态磁场有限元计算

4．1．1 棱边单元法

4．1．2 TMS刺激线圈

4．2 静态实验结果

4．2．1 解析法求解结果

4．2．2 有限元方法求解结果

4．2．3 各部分组织磁场分布结果

4．3 本章小结

第五章 TMS瞬态实验

5．1 实验整体概述

5．2 瞬态磁场求解过程

5．2．1 组织介电参数

5．2．2 刺激线圈

5．2．3 载荷步加载

5．3 TMS瞬态仿真实验结果

5．3．1 单元电磁场场强

5．3．2 剖面电磁场分布

5．3．3 各部分组织电磁场分布

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢