一种基于真实形状和电阻率分布的颅骨物理模型实验装置

摘要

本发明公开了一种基于真实形状和电阻率分布的颅骨物理模型实验装置，包括上下左右移动和360°旋转的支架，支架上放置有一个容器，容器内装有颅骨石膏模型，该颅骨石膏模型的每个部位及骨缝的电阻率值都接近真实在体颅骨数值，容器的内表面贴放有两层平行且等间距分布的电极，电极穿过容器内侧壁上的钻孔与容器外侧的屏蔽线相连。与人体真实颅骨相比，该模型具有极高的形状精度和真实电阻率分布。可重复使用，性能稳定，提供了一种更精确、更易用、抗干扰能力更强的颅骨模型和实验装置，有利于开展颅脑电阻抗断层成像的深入研究。

说明书

技术领域

本发明属于电阻抗断层成像领域，具体涉及一种基于真实形状和电阻率分布的颅骨物理 模型实验装置。

背景技术

目前，关于颅脑EIT的研究表明：颅骨不规则形状和非均匀电阻率分布对颅脑EIT的分 辨率和定位精度有显著影响。建立近似真实形状和非均匀电阻率分布的头部物理模型并进行 相关研究能够为颅脑EIT的研究提供重要的实验平台，便于评估应用于颅脑EIT的数据采集 系统和成像算法，有利于头部生物电源定位的研究等，具有重要的科学意义。

如何准确反映颅骨的结构和电特性是建立真实颅骨物理模型的关键。国内外的课题组对 此进行了众多有意义的探索，制作出了诸如圆桶形均质或者半球形均质的颅骨模型。这些颅 骨模型对于人们认识颅骨特性对EIT成像的影响起到了重要作用，推动了EIT技术的发展进 步。但这些颅骨模型过于理想化，省略了很多重要特点。随着研究的深入，学者们已经认识 到目前对于颅骨模型的研究存在两方面不足：

一是研究计算机仿真模型较多，研究物理模型较少。很多课题组的模型研究集中于基于 有限元方法(Finite Element Method，FEM)的计算机仿真模型。因为实际测量是一个多种因 素相互作用的复杂过程，所以计算机仿真与实际情况存在差别，在颅脑EIT研究中存在局限性。 计算机仿真实验可以为实际检测提供指导，但忽略了很多因素，参数和条件设置过于理想化， 其结果必须要用物理模型来验证，因此不能代替物理实验。另外，动物实验影响因素较多， 很多条件不可人为控制，不利于研究某单一因素的影响。相对于计算机仿真实验和动物实验， 建立近似真实形状和非均匀电阻率分布的颅骨物理模型可以更好地模拟实际情况，有利于更 加深入准确地研究颅骨特性对EIT成像性能的影响。

二是目前颅脑EIT研究中应用的颅骨模型不够精确，或者是假设颅骨的电阻率是均匀分 布的，或者是假设颅骨的形状是规则圆形的。事实上，颅骨的形状厚度和电阻率分布都是极 不均匀的。这些重要的物理特性对颅脑EIT的成像影响不可忽略。

另外，当前的仿真实验装置也存在过于沉重、易受电磁干扰等缺点，所以，需要一种精 确、便捷、易用、抗干扰能力强的实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于真实形状和电阻率分布的颅骨物理模型实验装置，该装 置便于携带，测量结果准确，抗干扰能力强。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种基于真实形状和电阻率分布的颅骨物理模型实验装置，其特征在于，包括上下左右 移动和360°旋转的支架，支架上放置有一个容器，容器内装有颅骨石膏模型，该颅骨石膏模 型的每个部位及骨缝的电阻率值都接近真实在体颅骨数值，容器的内表面贴放有两层平行且 等间距分布的电极，电极穿过容器内侧壁上的钻孔与容器外侧的屏蔽线相连。

所述的颅骨石膏模型由硬石膏翻制而成，并按照人体真实解剖结构分为8个部位(其中 额骨1块，蝶骨大翼2块，颞骨2块，顶骨2块，枕骨1块)，按照与骨缝电阻率值近似的石 膏将各部位连接成整体，具有较高的形状精度。

所述的容器由PSB树脂经激光快速成型机一次性烧制而成，其内表面与颅骨石膏模型 的形状相吻合。

所述的容器内表面贴放有两层平行的银质电极。第二层电极的位置比第一层低 20.00mm。电极为银质，厚度0.30mm，直径10.00mm，纯度为99.99％。每层电极16个，等 间距分布在同一水平面上。电极的一侧用纯度为99.99％、直径为3.00mm的银丝焊接。银丝 穿过容器内侧壁上的钻孔与容器外侧的屏蔽线相连。在电极焊接银丝的一侧，涂上耐水、耐 酸碱的粘接剂，施加压力使电极与树脂容器内侧壁贴紧粘牢。

所述的树脂容器外侧引出的每一根导线都带有屏蔽层，长度为1000.00mm。16根导线交 叉缠绕，外面套有屏蔽网，进一步减少外界干扰。

所述的支架主体材料由有机玻璃制作，支架上带有高强度的不锈钢滑动游标和刻度尺， 最小刻度为0.02mm，能够进行上下左右移动和360°旋转，便于精确定位。

本发明的基于真实形状和电阻率分布的颅骨物理模型实验装置，与现有技术相比，优点 在于：采用极高形状精度和真实电阻率分布的颅骨石膏模型，并配有真实颅骨形状的树脂容 器，更加接近人体测量的实际情况，极大地减小了测量误差；通过使用高纯度银质电极，减 小了极化电位；采用带有屏蔽层的导线，并将各路导线交叉缠绕并套有屏蔽网，有效降低了 电磁干扰；采用有机玻璃制作支架主体减轻了整体重量。因而本发明不仅更加符合颅脑EIT 临床监护的实际情形，具有很强的抗干扰能力，保证测量结果的准确性，而且更加便携易用。

附图说明

图1是颅骨物理模型制作流程图；

图2是人体颅骨CT数据的三维重建图，其中(a)是全颅骨重建图，(b)是分离颅骨重 建图；

图3是激光快速成型加工的8块树脂模型图片；

图4是用石膏翻制分离颅骨模型图片，包括藻酸盐印模、石膏模型和树脂模型；

图5是颅骨石膏模型图片，其中(a)是分离颅骨模型图片，(b)是拼接颅骨石膏模型图 片，(c)是颅骨石膏模型放大图片；

图6是树脂容器制作流程图；

图7是外壳的三维重建和树脂模型图片，其中(a)是三维重建，(b)是树脂模型图片， (c)是树脂模型放大图片；

图8是电极位置示意图；

图9是装置机械结构示意图，其中(a)是正视图，(b)是侧视图，(c)是俯视图。图中 的标记分别表示：1、支架，2、容器(内有颅骨石膏模型)，3、杠杆，4、游标，5、刻度尺， 6、螺丝。

以下结合附图和具体制作方式对本发明作进一步的详细说明、

具体实施方式

参见附图9，本实施例给出一种基于真实形状和电阻率分布的颅骨物理模型实验装置的 制作实例，包括上下左右移动和360°旋转的支架1，支架1上放置有一个容器2，容器2内装 有颅骨石膏模型，该颅骨石膏模型的每个部位及骨缝的电阻率值都接近真实在体颅骨数值， 容器2的内表面贴放有两层平行且等间距分布的电极，电极穿过容器内侧壁上的钻孔与容器 外侧的电极导线相连。

1、颅骨石膏模型的制作流程见图1。

1.1人体颅骨薄层CT数据采集

采用螺旋CT(GE LightSpeed VCT)对无颅骨病变的成年男性患者进行薄层颅脑扫描。 扫描范围包括全部脑颅骨。扫描参数为：层厚0.625mm，电压120kV，电流240mA。扫描层 数为578层。图像数据不压缩，采用标准DICOM(Digital Imaging and Communications in  Medicine，数字影像和通信标准)文件格式保存。

1.2三维重建颅骨模型

使用Geomagic Studio4.0及MIMICS10.0软件将DICOM图像文件读入，首先对骨组织区 域识别，然后进行骨组织提取和三维叠加，完成颅骨几何模型的三维重建，并对其进行查错修 补(如图2(a)所示)。然后对重建的三维图形沿着骨缝进行分割，制作成分离的颅骨几何模 型(共分割为8块。其中额骨1块，蝶骨大翼2块，颞骨2块，顶骨2块，枕骨1块，如图2 (b)所示)。

1.3快速成型机加工制造

将重建后的三维可视模型进行三角形网格划分，输出STL格式的模型文件。采用选择性 激光烧结(selected laser sintering，SLS)快速成型机，以由聚-N-邻羟苄叉乙烯基苄胺 (poly-N-salicylidenevinylbenzylamine，PSB)树脂为原料，通过激光照射逐层烧结分离颅骨 模型(如图3所示)。

1.4分离颅骨模型的翻制和电阻率设置

为建立近似真实颅骨电阻率分布的颅骨物理模型，结合颅骨各部分生理结构和课题前期 关于不同结构活性颅骨电阻率变化的研究结果，分别设置各分离颅骨和各部位骨缝的电阻率。 依据课题组获得的不同水粉配比的石膏与其电阻率的回归方程，分别计算各分离模型和骨缝 部位的石膏材料水粉配比。

石膏材料水粉配比与其电阻率的关系以及在体人脑颅骨的电阻率值由课题组前期研究 成果获得。(参见文献(1)：Tang C，You F，Cheng G，et al.Correlation between structure and  resistivity variations of the live human skull[J].IEEE Trans Biomed Eng，2008，55(9)：2286-2292。 文献(2)：李建波，近似真实形状和非均匀电阻率分布的头部物理模型的建立及其实验研究 [D]，中国人民解放军第四军医大学硕士论文，2011)。

对激光快速成型的颅骨树脂模型进行表面打磨，消除由于工艺生产过程中造成的毛刺、 边缘凹凸等。用齿科藻酸盐印模材分别制取每块树脂模型的印模，待印模固化形成后，取出 树脂模型，立即以相应水粉比的石膏灌注模型，待石膏凝固后即可脱模(如图4所示，左边 的为藻酸盐印模，右边上方为树脂模型，右边上方的为翻制的石膏模型)。

1.5拼接颅骨物理模型

首先修正、打磨脱模后的各块颅骨(8块)的石膏模型(如图5(a)所示)，然后用相当 于骨缝电阻率的石膏将各块石膏模型拼接在一起，最终形成近似真实形状和非均匀电阻率分 布的颅骨石膏模型(如图5(b)、(c)所示)。

2.树脂容器的制作流程。

参见图6所示，加工外壳容器的过程与加工分离颅骨树脂模型的过程类似，仍然采用PSB 树脂为原料，用激光快速成型技术实现。

首先使用Geomagic Studio4.0及MIMICS10.0软件将DICOM图像文件读入，然后对骨组 织区域识别、提取和三维叠加，完成颅骨几何模型的三维重建，并对其进行查错修补，最后 提取重建后的三维图形外表面区域，使其向外生长5.00mm厚度作为实验外壳的内表面，实 验外壳厚度设置为5.00mm(如图7(a)所示)。重建完成后，输出STL格式的模型文件，采 用选择性激光烧结快速成型机，以PSB树脂为原料，通过激光照射逐层烧结，最终形成树脂 容器(如图7(b)、(C)所示)。

3.电极及导线的制作

树脂容器制作完毕后，需在内表面贴放电极以检测信号。为了研究颅骨内不同位置的阻 抗变化情况，本实施例在树脂容器内贴放两层电极(树脂容器高度130.00mm，外径205.00mm， 厚度5.00mm)。每层电极为16个。电极的位置确定是沿外壳表面，经眉弓上缘、两侧颞骨和 枕骨组成一个平面，在此平面边缘等间距确定16个点，作为贴放第一层16个电极的位置。 第二层的16个电极的位置比第一层低20.00mm。电极的材质为银片，厚度0.30mm，直径 10.00mm，纯度为99.99％(如图8所示)。

使用电钻在树脂容器的电极位置打孔。电极的一侧用纯度为99.99％、直径为3.00mm的 银丝焊接。银丝穿过钻孔经铜质导线连接颅脑EIT主机。在电极焊接银丝的一侧，涂上耐水、 耐酸碱的粘接剂，施加压力使电极与树脂容器内侧壁贴紧粘牢，做成包埋式的固定电极，有 助于克服实际监测中电极位移引起的干扰和噪声。每一根电极导线都带有屏蔽层，长度为 1000.00mm。16根导线交叉缠绕，外面套有屏蔽网，以进一步减少外界干扰。电极导线经接 口插件与颅脑EIT图像监护主机相连接。

4.支架的制作

支架1的主体材料采用有机玻璃，本实施例的支架1整体高度560.00mm，长度 280.00mm，宽度260.00mm。其重量轻，便于携带，降低了使用金属材质引入的电磁干扰， 且更适于磁感应电阻抗断层成像的实验。此外，在支架1上有一个可升降和旋转的杠杆3， 支架1上配有可调节的8个有机玻璃螺丝6，能适应不同大小的容器2。支架1上还带有高强 度、不易变形的不锈钢滑动游标4和刻度尺5，最小刻度为0.02mm。因此，支架1在杠杆3 的作用下能够进行上下左右移动和360°旋转，具有较高的空间定位精度(如图9所示)。

经测试表明，本发明的基于真实形状和电阻率分布的颅骨物理模型实验装置，可重复使 用，性能稳定，是一种更精确、易用、抗干扰能力更强的颅骨模型实验装置，有利于开展颅 脑电阻抗断层成像(Electrical Impedance tomography，EIT)的深入研究。

需要说明的是，以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。 本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，例如 在容器、颅骨模型、电极、导线、支架的尺寸、材料进行的任何改动，均属于本发明的保护 范围。