本文選題：經(jīng)顱磁刺激 + 有限元分析��； 參考：《北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院》2017年博士論文

【摘要】：經(jīng)顱磁刺激(TMS)技術(shù)是一種無痛、無創(chuàng)、相對安全的神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù),通過脈沖電流產(chǎn)生的時變磁場,透過顱腦結(jié)構(gòu)外部組織,直接在腦神經(jīng)產(chǎn)生電生理干預(yù),目前廣泛應(yīng)用于多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病、精神疾病的臨床診斷與治療,以及腦科學(xué)與認知科學(xué)領(lǐng)域中的探索性研究。刺激線圈是TMS技術(shù)實現(xiàn)的重要載體,其形狀和尺寸限定了空間內(nèi)感應(yīng)電場的分布情況,直接對使用效果造成影響。研究刺激線圈產(chǎn)生的效果主要從兩個方面進行,一個是其自身的電磁場特性,另一個是其作用到腦之后的實際效果。前者可以通過電磁場檢測和簡單的建模仿真來實現(xiàn);而后者一般很難在生物體顱腦結(jié)構(gòu)中直接測量,通常會采用間接的手段,如MEP,以及一些復(fù)雜的建模仿真運算。此外,動物實驗也是TMS重要研究手段之一。在TMS建模仿真研究中,目前常見的顱腦結(jié)構(gòu)模型主要包括頭皮、顱骨、腦脊液、腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)等組織,對于腦深部結(jié)構(gòu)的重建比較少見。在仿真過程中,常見的8字形線圈模型多為近似幾何結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果感應(yīng)電磁場分布與真實線圈存在差別。TMS作用在復(fù)雜顱腦組織時,刺激效果常用半寬度區(qū)面積(聚焦面積)進行計算,對于真實有效作用面積的研究和探討比較缺乏。此外,TMS動物實驗相關(guān)仿真研究也并不多見。為進一步提高TMS建模仿真研究的真實性和指導(dǎo)價值,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計算方法。本文方法可應(yīng)用于計算TMS人體實驗、臨床使用和動物實驗中感應(yīng)電磁場的分布規(guī)律,評價刺激效果,仿真研究結(jié)果可為TMS應(yīng)用領(lǐng)域提供重要的理論依據(jù)。本文首先利用MIMICS重建了特定受試者的真實顱腦結(jié)構(gòu)模型,包括丘腦、邊緣系統(tǒng)、腦室等腦深部組織結(jié)構(gòu),以及具有真實結(jié)構(gòu)的8字線圈模型,然后利用ANSYS實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元仿真分析。在仿真過程中,本文使用鹽水槽檢測實驗來對仿真參數(shù)進行校正,使仿真結(jié)果與真實情況具有可比性。本文還在真實顱腦結(jié)構(gòu)模型下,通過仿真對比TMS和DES感應(yīng)電場分布,提出了計算刺激有效區(qū)面積的方法,并找出二者有效區(qū)之間的關(guān)系,為TMS實現(xiàn)精準定位,提供了方法和理論支持。最后,本文利用上述方法重建了 WISTAR大鼠顱腦結(jié)構(gòu)模型和動物線圈模型,研究討論了 TMS動物實驗中刺激有效區(qū)面積隨刺激強度的變化規(guī)律。經(jīng)過計算,TMS作用于人體顱腦結(jié)構(gòu)時有效區(qū)面積相當于聚焦面積的約14%,作用于大鼠顱腦結(jié)構(gòu)時有效區(qū)面積相當于聚焦面積計算結(jié)果的約63%。該方法為TMS臨床使用和動物實驗過程中中實現(xiàn)精準定位奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a painless, noninvasive and relatively safe technique for neuroregulation, which directly interferes in the brain nerve through the time-varying magnetic field produced by the pulse current and through the external tissue of the craniocerebral structure. At present, it is widely used in the clinical diagnosis and treatment of various nervous system diseases, mental diseases, as well as the exploratory research in the field of brain science and cognitive science. The stimulus coil is an important carrier of TMS technology. Its shape and size limit the distribution of the inductive electric field in the space, which has a direct impact on the application effect. The effect of stimulation coil is studied from two aspects, one is its own electromagnetic properties, the other is the actual effect after it acts on the brain. The former can be realized by electromagnetic field detection and simple modeling and simulation, while the latter is difficult to measure directly in the brain structure of organism, and usually uses indirect means, such as MEP, and some complex modeling and simulation operations. In addition, animal experiments are also one of the important research methods of TMS. In the research of TMS modeling and simulation, the common craniocerebral structure models mainly include scalp, skull, cerebrospinal fluid, gray matter and white matter, etc. In the process of simulation, the most common 8-shaped coil models are approximate geometric structure. The simulation results show that the electromagnetic field distribution is different from the real coil. TMS acts on complex brain tissue. The half width area (focus area) is commonly used to calculate the stimulation effect, but the study and discussion of the real effective area is scarce. In addition, there are few related simulation studies on TMS animal experiments. In order to further improve the authenticity and guiding value of TMS modeling and simulation research, this paper mainly establishes a set of perfect modeling and simulation research method and stimulation effect calculation method. This method can be used to calculate the distribution of induction electromagnetic field in TMS human experiment, clinical use and animal experiment, and to evaluate the stimulation effect. The simulation results can provide an important theoretical basis for the application of TMS. In this paper, MIMICS was used to reconstruct the real brain structure model of specific subjects, including thalamus, limbic system, ventricle and other deep brain tissue structures, as well as 8-character coil model with real structure. Then the finite element analysis of complex structure is realized by ANSYS. In the process of simulation, the salt flume testing experiment is used to correct the simulation parameters, so that the simulation results are comparable with the real situation. In this paper, under the real brain structure model, by comparing the distribution of induced electric field between TMS and DES, we put forward a method to calculate the effective area of stimulation, and find out the relationship between the effective area and the effective area, so as to realize the accurate location for TMS. The method and theory support are provided. Finally, the craniocerebral structure model and the animal coil model of WISTAR rats were reconstructed by the above methods, and the changes of the effective area of stimulation with the intensity of stimulation in TMS animal experiment were studied and discussed. The effective area of TMS acting on the human brain structure is about 14% of the focus area, and the effective area area of the brain structure acting on the rat brain structure is about 63% of the focus area. This method lays a foundation for accurate positioning in clinical use and animal experiment of TMS.
【學(xué)位授予單位】：北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.9;R741.044

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本文編號：1808317