深部脑刺激的建模及其各向异性电场的分布研究

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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。
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