基于颅脑三维重建结构模型的选择性亚低温治疗温度预测方法

摘要

颅脑内部的温度为选择性亚低温治疗确定降温治疗措施和时间窗口提供了依据，对颅脑亚低温治疗有十分重要的意义。但是，目前，还没有完善的非损伤性颅脑温度测量方法，并且通过颅脑半球简化模型预测颅脑温度尚不足以描述实际的颅脑温度分布状况。
　　本研究借助Mimics、Geomagic、UG等软件，利用医学扫描成像数据重建了包括头皮、颅骨、脑脊液、脑实质四层的颅脑分层结构模型。结合Pennes传热方程以及医学统计热学参数，构建了三维重建的颅脑分层传热模型以预测颅脑内部温度，同时，确定左侧额叶表面下70mm长的测温直线坐标。利用这种三维重建导热模型对颅脑结构进行了四面体网格划分进而进行导热特性的有限元分析。选取0℃、10℃和20℃作为颅脑表面头皮温度，仿真分析了颅脑内部特征点的温度稳态和动态变化特性，并着重分析了测温直线和测温点温度的稳态和动态特性。根据这一特性，进一步研究了脑脊液层对测温直线和测温点温度的稳态和动态特性的影响，实验结果表明了脑脊液层对颅脑内部传热有着重要影响。
　　为了进一步研究实际颅脑内血流、新陈代谢对导热特性的影响产生时滞、非线性等效应，验证颅脑分层传热模型预测颅脑内部温度的可行性，以大鼠为模型动物进行选择性亚低温实验。选取大鼠颅骨下3mm和5mm的大脑部位作为测温点，选用20℃作为颅脑表面制冷温度对大鼠颅脑进行选择性亚低温治疗实验。同时，利用大鼠颅脑医学扫描成像数据构建大鼠颅脑分层传热模型，并选取实验动物统计热学参数和人脑实质血液灌注率和新陈代谢率进行导热特性的有限元分析。仿真与实验结果比较表明，两者间上存在一定误差，显然，除了颅脑的三维结构，颅脑的组织特性对导热特性有着重要影响。通过对实验结果的模型参数辨识，得到了大鼠脑实质的血液灌注率和新陈代谢率参数，进一步的有限元分析表明，仿真的温度稳态和动态特性与实验结果的一致性明显提高，从而证明了使用三维重建颅脑分层结构的传热模型和辨识的参数提高了颅脑温度预测的个体一致性，同时，也可以明显提高预测颅脑内部温度的精确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 颅脑亚低温治疗及脑内温度预测的意义

1．1．1 颅脑亚低温治疗的意义及方法

1．1．2 颅脑选择性亚低温治疗中温度测量或预测的手段

1．2 利用颅脑简化分层传热模型进行温度预测

1．2．1 颅脑简化分层传热模型的建立及应用

1．2．2 颅脑简化分层传热模型的缺点与不足

1．3 利用医学影像技术重建颅脑结构模型

1．3．1 医学影像技术的意义

1．3．2 医学影像技术在颅脑结构模型重建上的应用

1．4 本文的主要研究方向

1．5 本文的主要内容

1．6 本文的章节安排

第二章 三维重建颅脑分层结构模型的建立

2．1 简介

2．2 颅脑分层传热数学模型的建立

2．2．1 颅脑分层传热数学模型介绍

2．2．2 颅脑分层传热数学模型的建模假设与边界条件

2．3 利用医学影像软件重建颅脑三维模型

2．3．1 颅脑真实结构介绍

2．3．2 颅脑断层扫描数据导入

2．3．3 对断层扫描数据进行处理

2．3．4 重建人脑及头骨三维面模型

2．4 利用逆向工程软件建立完整分层模型

2．4．1 对三维模型进行表面处理

2．4．2 对三维模型进行配准

2．4．3 求出头皮以及脑脊液层

2．5 本章小结

第三章 三维重建颅脑分层传热有限元模型的建立与仿真

3．1 简介

3．2 三维重建颅脑分层结构模型的有限元划分

3．2．1 有限元分析方法

3．2．2 颅脑分层模型的网格划分

3．3 有限元模型下颅脑温度的特性分析

3．3．1 不同降温条件下颅脑模型温度分布特性分析

3．3．2 脑脊液层对传热模型的影响

3．4 本章小结

第四章 三维重建颅脑分层传热模型预测脑温可行性的验证

4．1 简介

4．2 动物实验的准备及方法

4．2．1 实验材料及准备

4．2．2 实验结果

4．3 实验大鼠颅脑分层传热结构模型的建立

4．3．1 实验大鼠颅脑结构简介

4．3．2 创建实验大鼠颅脑模型

4．4 热学参数的校正与模型的验证

4．4．1 利用文献参数进行仿真比较

4．4．2 利用参数辨识校正仿真模型参数

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

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