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三维头部数值模型的建立及DBS电场的分析研究

韩婷彦  
【摘要】:帕金森病(Parkinson's disease, PD)是一种神经系统疾病,其症状主要表现为震颤、反应迟钝、僵直和姿势不稳。目前,外科治疗帕金森病的主要方法是脑深部电刺激术(Deep Brain Stimulation,DBS),并因其手术安全、疗效期长、非破坏性、可逆、可调节及并发症少的特点,现已完全替代了传统损毁术。虽然脑深部电刺激已被证明,可以有效治疗帕金森、癫痫等神经系统疾病,但其具体的作用机制还有待确定。由于手术复杂,对操作人员要求较高,活体研究不很现实。因此,为了更好的研究脑深部电刺激的相关问题,提高其治疗效果,本文构造了DBS有限元模型用以分析在大脑深部植入电极并施加电刺激时,其作用区域的电场分布情况。 本文首先利用MIMICS软件,借助二维头颅MRI医学图像数据,经过图像预处理,组织分割,重构真实头部和大脑组织的三维面模型。然后将其面模型以通用格式输出至Geomagic Studio软件,通过创建曲面,曲面拟合等操作,生成三维实体模型,进而通过数值分析软件COMSOL Multiphysics对模型进行网格剖分,最终得到一个可以用于各种数值计算的三维头部数值模型,为后期的DBS电场分析打下坚实的基础。本文的最后,利用前期三维重建所得的头部和大脑的实体模型,在微电极对脑深部组织刺激作用原理的基础下,应用数值分析软件COMSOL构建完整的脑深部电刺激数值模型,分别讨论了单极刺激与双极刺激模式下脑深部电极作用区域的电场分布情况,并对比四层球头模型结果显示在电极附近区域两种模型的电场分布基本一致。同时还分析了双极刺激时电极触点间距对脑部组织刺激强度、刺激范围的关系,从而更深入的了解电刺激参数对脑深部区域的影响,为DBS的临床应用提供了理论依据。 经本课题研究,利用逆向工程的思想构建真实头模型,其方法可行,且重建效率高。三维实体模型表面光滑,有利于后期数值模型的网格划分,同时模型的真实感强,轮廓清晰。对真实头模型的DBS电场分布的研究,为提高其治疗效果提供了理论基础。


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