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深部脑刺激的建模及其各向异性电场的分布研究

作　者: 李洪艳
导　师: 董国亚
学　校: 河北工业大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 脑深部电刺激 有限元 三维重建 头部数值模型 各向异性 COMSOL
分类号: R454.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 7次
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内容摘要


帕金森病是一种神经性系统疾病，其症状主要表现为震颤、反应迟钝、僵直和姿势不稳，严重影响患者的正常生活。目前脑深部电刺激术（Deep Brain Stimulation, DBS）已经成为治疗帕金森疾病的有效手段，但是现在对其机制的认识还很少。基于此，本文主要通过构建的各向异性的真实的头模型，包括头皮、颅骨、脑脊液和大脑四层组织研究对脑深部进行电刺激后的电场分布，并将各向异性与各向同性的结果进行比较，探究影响电场分布的因素，为DBS的临床应用提供了一定的理论依据。首先，基于逆向工程的思想，利用医学图像重建软件Simpleware进行图像分割，快速准确的重建出头皮、颅骨、脑脊液和大脑四层头部组织面模型，然后用逆向工程GeomagicStudio软件将面模型转化为实体模型。其次，三维重建出来的真实头部组织几何模型，可以方便的导入到相关的有限元分析软件中，进行模型的网格剖分及相应的分析研究。本文将头部组织实体模型导入到COMSOL有限元分析软件中，并且根据脑深部电刺激原理在脑深部区域内加入了一个两触点的电极，设定物理参数后进行网格剖分来完成脑深部电刺激数值模型的构建。最后，应用该数值头模型进行电场及电位分布的计算研究。本文将各向同性与各向异性情况下，脑深部区域内电场及电位的分布进行了对比；比较了单极、双极不同刺激模式下脑深部区域内的电场变化；研究了不同刺激参数及电极间的不同间距对脑深部区域内电场分布的影响。结果显示：各向异性与各向同性脑深部区域内电场及电位的分布存在很大的差别，在进行研究时必须将头部组织各向异性的特点考虑进去。采用单极刺激，可用最小的刺激参数获得最佳的刺激效果；双极刺激，电极触点间距的变化不仅影响到电极作用位置的变化，而且将改变电刺激的作用范围和作用强度。并且电极触点间距为电极触点长度的1/2的情况下，脑电极的刺激强度达到峰值。同时，改变刺激脉冲的波形，或者调节刺激脉冲的幅值均会改变刺激的强度和范围。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-16
  §1-1 课题的研究背景及意义  9-11
  §1-2 国内外研究现状  11-15
    1-2-1 医学图像三维重建的发展现状  11
    1-2-2 逆向工程的发展现状  11-12
    1-2-3 头部组织数值模型的构建方法  12-13
    1-2-4 脑深部电刺激的研究现状  13-14
    1-2-5 各向异性头部组织的确定  14-15
  §1-3 本文主要工作  15-16
第二章 三维头部组织面模型的确立  16-28
  §2-1 生物医学成像技术  16-17
  §2-2 MRI 图像分割方法综述  17-20
    2-2-1 MRI 图像特点  17-18
    2-2-2 MRI 图像分割的方法  18-20
  §2-3 基于 Simpleware 软件重建三维头部组织表面模型  20-26
    2-3-1 Simpleware 软件的介绍  20-21
    2-3-2 头颅 MRI 数据的导入  21-22
    2-3-3 对图像的修剪  22
    2-3-4 目标区域的分割及三维视图的显示  22-25
    2-3-5 三维头部组织表面模型的创建及输出  25-26
  §2-4 小结  26-28
第三章 运用逆向工程软件构建三维头部组织数值模型  28-36
  §3-1 逆向工程软件 Geomagic Studio 介绍  28-29
  §3-2 三维头部组织实体模型的构建  29-33
    3-2-1 头部组织点云数据的优化处理  29-30
    3-2-2 头部组织多边形的编辑  30
    3-2-3 重构人体头部的 NURBS 曲面  30-33
  §3-3 头部组织数值模型的建立  33-35
    3-3-1 COMSOL Multiphysics 软件的介绍  33
    3-3-2 构建头部组织数值模型  33-35
  §3-4 小结  35-36
第四章 各向异性脑深部电刺激电场分布的研究  36-52
  §4-1 脑深部电刺激术  36-38
    4-1-1 脑深部电刺激系统  36-37
    4-1-2 脑深部电刺激的靶点  37
    4-1-3 脑深部电刺激系统的参数设置  37-38
    4-1-4 脑深部电刺激的作用机制  38
  §4-2 DBS 有限元模型的建立  38-40
    4-2-1 电极结构  39
    4-2-2 建立 DBS 有限元模型  39-40
  §4-3 各向异性 DBS 电场的分布研究  40-46
    4-3-1 头部组织电导率各向异性的确立  40-41
    4-3-2 各向同性与各向异性的对比研究  41-43
    4-3-3 均匀头模型与非均匀头模型之间的对比研究  43-45
    4-3-4 电极触点间不同间距对电场分布的影响  45-46
  §4-4 刺激模式对电场分布的影响  46-48
    4-4-1 单电极刺激  46-47
    4-4-2 双电极刺激  47-48
  §4-5 双电极刺激下刺激参数对电场分布的影响  48-51
    4-5-1 动态输入  48
    4-5-2 脉冲脉宽对电场分布的影响  48-49
    4-5-3 电压幅值的影响  49-50
    4-5-4 频率的影响  50
    4-5-5 刺激波形的比较  50-51
  §4-6 小结  51-52
第五章 总结与展望  52-54
  §5-1 本文总结  52
  §5-2 对研究工作的展望  52-54
参考文献  54-57
致谢  57-58
攻读学位期间所取得的相关成果  58

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中图分类: > 医药、卫生 > 临床医学 > 治疗学 > 物理疗法、自然疗法 > 电疗法、磁疗法
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