CN104096316B - 一种用于脑深部经颅磁刺激的h型线圈优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法：通过磁共振成像或CT数据建立包含边缘***的真实头部结构模型，在有限元软件中建立包含边缘***的真实头部电导率模型；根据真实头部结构模型的外轮廓建立切向真实头部结构模型外表面的H型线圈；确定额叶前部、顶部和侧部导线模型分布范围，建立在真实头部结构模型的额叶前部、顶部及侧部不同导线间隔的H型线圈模型；运用有限元方法模拟H型线圈在真实头部电导率模型上的电场分布，设置评价线圈深部特性的标准；以评价H型线圈设计的标准为依据，确定H型线圈额叶前部、顶部和侧部不同位置最佳导线间隔。本发明改变额叶前部、上部和侧部的导线间隔，评估导线间隔对电场深部特性的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈。特别是涉及一种基于真实头部电导率模型的用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法。
背景技术
经颅磁刺激技术是一种无痛、无创、非侵入的技术，线圈内的脉冲电流产生的磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑神经。随着研究的深入、技术的发展，浅层的刺激不能满足医疗和科研的需求，深部刺激应运而生。目前的线圈只能刺激到1.5-2cm的浅层皮质区域。深部刺激在不增加激励的同时，满足对大脑深部结构的刺激，减少对浅层皮质的损伤。
H型线圈拥有复杂的结构设计，底座部分是刺激主要部分，导线方向切向头皮；突出回路和连接回路远离刺激目标区域，减弱对目标区域的影响。但是目前的H型线圈设计基于球头模型，球头模型与真实头部结构存在较大差异。头模型的准确度影响着经颅磁刺激中线圈在模型上产生的电场分布规律。真实头模为H型线圈的设计提供依据，使线圈在头部产生的电场分布更趋近于真实情况。
H型线圈利用感应电场矢量叠加的原理，加强在深部靶组织中的感应电场；底座部分导线呈一定间隔分布，以此减少浅层皮质的刺激强度。导线间隔和分布影响着浅层皮质的电场强度和深部特性。头部和H型线圈的复杂性说明仅仅研究电场在某一条线段上的衰减特性是远远不够的，需要更为详尽的内部电场分布信息。包含海马、杏仁核等结构的边缘***在中脑、间脑和新皮质结构之间的信息交换起着重要作用，有必要将边缘***分离出来，建立包含边缘***的真实头部模型。本发明采用有限元的方法计算头部电场分布，评估额叶前部、上部及侧部的H型线圈导线间隔对深部特性的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过改变额叶前部、上部及侧部的导线间隔，运用有限元的方法模拟电场在真实头电导率模型的分布情况和深部特性的用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法。
本发明所采用的技术方案是：一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法，运用有限元的方法模拟电场在真实头部电导率模型的分布情况和深部特性，优化额叶前部、上部及侧部的导线间隔，减弱头部浅层电场强度，增大头部深层电场强度，包括，以下步骤：
1)通过磁共振成像或CT数据建立包含边缘***的真实头部结构模型，在有限元软件中建立包含边缘***的真实头部电导率模型；
2)根据真实头部结构模型的外轮廓建立切向所述真实头部结构模型外表面的H型线圈；考虑头部边缘***的结构和位置特点，确定额叶前部、顶部和侧部导线模型分布范围，建立在真实头部结构模型的额叶前部、顶部及侧部不同导线间隔的H型线圈模型；
3)运用有限元方法模拟H型线圈在真实头部电导率模型上的电场分布，设置评价线圈深部特性的标准，包括：
(1)在有限元软件中通过网格划分，将真实头部电导率模型分割成有限个单元，建立能够运用于数值计算的有限元模型；在有限元模型上进行加载求解，得到H型线圈在真实头部模型上的电场分布；
(2)为了满足深部刺激的目的，同时减少对浅层皮质的刺激，采用真实头部电导率模型表面电场最大值与真实头部电导率模型边缘***电场最大值之比作为评价H型线圈设计的标准；
4)以评价H型线圈设计的标准为依据，确定H型线圈额叶前部、顶部和侧部不同位置最佳导线间隔。
步骤1)所述的建立包含深部结构的头部模型包括：
(1)将磁共振成像或CT数据导入交互式的医学影像控制***，包括阈值分割、区域增长和手动修饰的操作，提取头部及边缘***的边缘，分别建立头部三维面片模型和边缘***三维面片模型；
(2)在有限元软件中将头部三维面片模型和边缘***三维面片模型转化为头部实体模型和边缘***实体模型，将所述头部实体模型和边缘***实体模型进行搭接布尔运算，建立包含边缘***的真实头部结构模型，进行电导率赋值，建立包含边缘***的真实头部电导率模型。
步骤2)所述的H型线圈模型，是采用拖拽方式建立，H型线圈模型的导线截面是边长为1mm的正方形，导线距离真实头部结构模型表面5mm。
所述的拖拽方式是在有限元软件中根据真实头部电导率模型外轮廓进行描点连线，形成切向真实头部电导率模型表层的路径，建立垂直于路径的一个截面，沿路径拖拽所述的截面，得到切向真实头部电导率模型表层的H型线圈模型。
步骤3)所述的真实头部电导率模型表面电场最大值与真实头部电导率模型边缘***电场最大值之比越小，表示H型线圈深度特性越好。
本发明的一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法，通过MRI或CT数据建立头部和边缘***的三维模型。考虑边缘***的结构特点，改变额叶前部、上部和侧部的导线间隔，评估导线间隔对电场深部特性的影响。由于头部结构的复杂性，不同间隔的导线产生电场分布略有差异，因此采用真实头部电导率模型表面电场最大值与边缘***最大值之比作为评价线圈深部特性的标准。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是采用本发明的方法所建立的头部模型和H型线圈模型。
图中
1：H型线圈模型2：额叶上部导线
3：额叶前部导线4：额叶侧部导线
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种用于脑深部经颅磁刺激的H线圈优化方法做出详细说明。
H型线圈用来刺激大脑的深部结构，大脑边缘***由边缘叶和相关的皮质及皮质下结构组成，与情绪、精神、记忆等高级神经活动有关。由于导线分布的差异，在边缘***上产生不同的效果。为了达到较深的刺激深度，同时减少表层头皮的电场强度。对额叶前部和上部及侧部的H型线圈导线间隔进行了优化。
如图1所示，本发明的一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法，运用有限元的方法模拟电场在真实头电导率模型的分布情况和深部特性，优化额叶前面、上面及侧面的导线间隔，减弱头部浅层电场强度，增大头部深层电场强度，包括，以下步骤：
1)通过磁共振成像(MRI)或CT数据建立包含边缘***的真实头部结构模型，在有限元软件中建立包含边缘***的真实头部电导率模型；
所述的建立包含深部结构的头部模型包括：
(1)将磁共振成像或CT数据导入交互式的医学影像控制***(Mimics)，包括阈值分割、区域增长和手动修饰的操作，提取头部及边缘***的边缘。由于三维表面建模之后，得到的模型没有经过任何优化，在不影响头部模型结构的基础上，采用平滑操作来平滑几何体表面，通过面片精简操作减少三角面片数量，分别建立头部三维面片模型和边缘***三维面片模型；
(2)在有限元软件中将头部三维面片模型和边缘***三维面片模型转化为头部实体模型和边缘***实体模型，将所述头部实体模型和边缘***实体模型进行搭接布尔运算，保证两个实体模型共享边界面上的节点和单元，建立包含边缘***的真实头部结构模型，进行电导率赋值，建立包含边缘***的真实头部电导率模型。
2)根据真实头部结构模型的外轮廓建立切向所述真实头部结构模型表面的H型线圈；H型线圈位于额叶前部和顶部导线主要刺激边缘***的前扣带回；H型线圈位于额叶侧部导线主要刺激海马、杏仁核等结构。考虑头部边缘***的结构和位置特点，确定额叶前部、顶部和侧部导线模型分布范围，H型线圈的下缘位于头部眉骨的上方，减弱H型线圈形成的电场对眼球的影响。建立在真实头部结构模型的额叶前部、顶部及侧部不同导线间隔的H型线圈模型。
所述的H型线圈模型，是采用拖拽方式建立，H型线圈模型的导线截面是边长为1mm的正方形，在模拟仿真中，考虑真实线圈外壳和受试者头发的影响，H型线圈距离真实头部结构模型表面5mm。所述的拖拽方式是考虑到H型线圈位于额叶部分导线需要切向头皮，在有限元软件中根据真实头部结构模型外轮廓进行描点连线，形成切向真实头部电导率模型表层的路径，建立垂直于路径的一个截面，沿路径拖拽所述的截面，得到切向真实头部结构模型表层的H型线圈模型。
3)运用有限元方法模拟H型线圈在真实头部电导率模型上的电场分布，设置评价线圈深部特性的标准，包括：
(1)在有限元软件中通过网格划分，将真实头部电导率模型分割成有限个单元，建立能够运用于数值计算的有限元模型；在有限元模型上进行加载求解，得到H型线圈在真实头部模型上的电场分布。
(2)为了满足深部刺激的目的，同时减少对浅层皮质的刺激，采用头皮电场幅值与边缘***电场幅值之比可以作为评价H型线圈模型设计的标准。由于H型线圈导线间隔的差异，其在真实头部电导率模型上诱发的电场分布略有差异，因此利用真实头部电导率表层电场最大值与真实头部电导率模型边缘***最大值之比作为深部特性评价标准，即评价H型线圈设计的标准。所述的真实头部电导率模型表面电场最大值与真实头部电导率模型边缘***电场最大值之比越小，表示H型线圈深度特性越好。
4)以评价H型线圈设计的标准为依据，确定H型线圈额叶前部、顶部和侧部不同位置最佳导线间隔。在不同的H型线圈导线间隔中，在H型线圈在真实头部电导率模型上产生的电场达到阈值的情况下，如果真实头部电导率模型表面电场最大值与真实头部电导率模型边缘***电场最大值之比接近，则真实头部电导率模型表面电场较小者为优，说明在相同的深度特性下，该导线间隔的H型线圈模型对头部浅层皮质影响较小。
Claims (5)
1.一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法，其特征在于，运用有限元的方法模拟电场在真实头部电导率模型的分布情况和深部特性，优化额叶前部、上部及侧部的导线间隔，减弱头部浅层电场强度，增大头部深层电场强度，包括，以下步骤：
1）通过磁共振成像或CT数据建立包含边缘***的真实头部结构模型，在有限元软件中建立包含边缘***的真实头部电导率模型；
2）根据真实头部结构模型的外轮廓建立切向所述真实头部结构模型外表面的H型线圈；考虑头部及边缘***的结构和位置特点，确定额叶前部、顶部和侧部导线模型分布范围，建立在真实头部结构模型的额叶前部、顶部及侧部不同导线间隔的H型线圈模型；
3）运用有限元方法模拟H型线圈在真实头部电导率模型上的电场分布，设置评价线圈深部特性的标准，包括：
（1）在有限元软件中通过网格划分，将真实头部电导率模型分割成有限个单元，建立能够运用于数值计算的有限元模型；在有限元模型上进行加载求解，得到H型线圈在真实头部电导率模型上的电场分布；
（2）为了满足深部刺激的目的，同时减少对浅层皮质的刺激，采用真实头部电导率模型表面电场最大值与真实头部电导率模型边缘***电场最大值之比作为评价H型线圈设计的标准；
4）以评价H型线圈设计的标准为依据，确定H型线圈在额叶前部、顶部和侧部不同位置的最佳导线间隔。
2.根据权利要求1所述的一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法，其特征在于，步骤1）所述的建立包含边缘***的真实头部电导率模型包括：
（1）将磁共振成像或CT数据导入交互式的医学影像控制***，包括阈值分割、区域增长和手动修饰的操作，提取头部及边缘***的边缘，分别建立头部三维面片模型和边缘***三维面片模型；
（2）在有限元软件中将头部三维面片模型和边缘***三维面片模型转化为头部实体模型和边缘***实体模型，将所述头部实体模型和边缘***实体模型进行搭接布尔运算，建立包含边缘***的真实头部结构模型，进行电导率赋值，建立包含边缘***的真实头部电导率模型。
3.根据权利要求1所述的一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法，其特征在于，步骤2）所述的H型线圈模型，是采用拖拽方式建立，H型线圈模型的导线截面是边长为1mm的正方形，导线距离真实头部结构模型表面5mm。
4.根据权利要求3所述的一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法，其特征在于，所述的拖拽方式是在有限元软件中根据真实头部电导率模型外轮廓进行描点连线，形成切向真实头部电导率模型表层的路径，建立垂直于路径的一个截面，沿路径拖拽所述的截面，得到切向真实头部电导率模型表层的H型线圈模型。
5.根据权利要求1所述的一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法，其特征在于，步骤3）所述的真实头部电导率模型表面电场最大值与真实头部电导率模型边缘***电场最大值之比越小，表示H型线圈深度特性越好。
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