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《北京协和医学院》 2017年
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基于真实颅脑结构建模的经颅磁刺激仿真分析

赵琛  
【摘要】:经颅磁刺激(TMS)技术是一种无痛、无创、相对安全的神经调节技术,通过脉冲电流产生的时变磁场,透过颅脑结构外部组织,直接在脑神经产生电生理干预,目前广泛应用于多种神经系统疾病、精神疾病的临床诊断与治疗,以及脑科学与认知科学领域中的探索性研究。刺激线圈是TMS技术实现的重要载体,其形状和尺寸限定了空间内感应电场的分布情况,直接对使用效果造成影响。研究刺激线圈产生的效果主要从两个方面进行,一个是其自身的电磁场特性,另一个是其作用到脑之后的实际效果。前者可以通过电磁场检测和简单的建模仿真来实现;而后者一般很难在生物体颅脑结构中直接测量,通常会采用间接的手段,如MEP,以及一些复杂的建模仿真运算。此外,动物实验也是TMS重要研究手段之一。在TMS建模仿真研究中,目前常见的颅脑结构模型主要包括头皮、颅骨、脑脊液、脑灰质和脑白质等组织,对于脑深部结构的重建比较少见。在仿真过程中,常见的8字形线圈模型多为近似几何结构,仿真结果感应电磁场分布与真实线圈存在差别。TMS作用在复杂颅脑组织时,刺激效果常用半宽度区面积(聚焦面积)进行计算,对于真实有效作用面积的研究和探讨比较缺乏。此外,TMS动物实验相关仿真研究也并不多见。为进一步提高TMS建模仿真研究的真实性和指导价值,本文主要建立一套完善的建模仿真研究方法以及刺激效果计算方法。本文方法可应用于计算TMS人体实验、临床使用和动物实验中感应电磁场的分布规律,评价刺激效果,仿真研究结果可为TMS应用领域提供重要的理论依据。本文首先利用MIMICS重建了特定受试者的真实颅脑结构模型,包括丘脑、边缘系统、脑室等脑深部组织结构,以及具有真实结构的8字线圈模型,然后利用ANSYS实现复杂结构有限元仿真分析。在仿真过程中,本文使用盐水槽检测实验来对仿真参数进行校正,使仿真结果与真实情况具有可比性。本文还在真实颅脑结构模型下,通过仿真对比TMS和DES感应电场分布,提出了计算刺激有效区面积的方法,并找出二者有效区之间的关系,为TMS实现精准定位,提供了方法和理论支持。最后,本文利用上述方法重建了 WISTAR大鼠颅脑结构模型和动物线圈模型,研究讨论了 TMS动物实验中刺激有效区面积随刺激强度的变化规律。经过计算,TMS作用于人体颅脑结构时有效区面积相当于聚焦面积的约14%,作用于大鼠颅脑结构时有效区面积相当于聚焦面积计算结果的约63%。该方法为TMS临床使用和动物实验过程中中实现精准定位奠定了基础。
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