專利名稱：一種基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電阻抗斷層成像領(lǐng)域，具體涉及一種基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
目前，關(guān)于顱腦EIT的研究表明顱骨不規(guī)則形狀和非均勻電阻率分布對(duì)顱腦EIT 的分辨率和定位精度有顯著影響。建立近似真實(shí)形狀和非均勻電阻率分布的頭部物理模型并進(jìn)行相關(guān)研究能夠?yàn)轱B腦EIT的研究提供重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，便于評(píng)估應(yīng)用于顱腦EIT的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和成像算法，有利于頭部生物電源定位的研究等，具有重要的科學(xué)意義。如何準(zhǔn)確反映顱骨的結(jié)構(gòu)和電特性是建立真實(shí)顱骨物理模型的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外的課題組對(duì)此進(jìn)行了眾多有意義的探索，制作出了諸如圓桶形均質(zhì)或者半球形均質(zhì)的顱骨模型。這些顱骨模型對(duì)于人們認(rèn)識(shí)顱骨特性對(duì)EIT成像的影響起到了重要作用，推動(dòng)了 EIT 技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。但這些顱骨模型過(guò)于理想化，省略了很多重要特點(diǎn)。隨著研究的深入，學(xué)者們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到目前對(duì)于顱骨模型的研究存在兩方面不足一是研究計(jì)算機(jī)仿真模型較多，研究物理模型較少。很多課題組的模型研究集中于基于有限元方法(Finite Element Method,FEM)的計(jì)算機(jī)仿真模型。因?yàn)閷?shí)際測(cè)量是一個(gè)多種因素相互作用的復(fù)雜過(guò)程，所以計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際情況存在差別，在顱腦EIT研究中存在局限性。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)可以為實(shí)際檢測(cè)提供指導(dǎo)，但忽略了很多因素，參數(shù)和條件設(shè)置過(guò)于理想化，其結(jié)果必須要用物理模型來(lái)驗(yàn)證，因此不能代替物理實(shí)驗(yàn)。另外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)影響因素較多，很多條件不可人為控制，不利于研究某單一因素的影響。相對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，建立近似真實(shí)形狀和非均勻電阻率分布的顱骨物理模型可以更好地模擬實(shí)際情況，有利于更加深入準(zhǔn)確地研究顱骨特性對(duì)EIT成像性能的影響。二是目前顱腦EIT研究中應(yīng)用的顱骨模型不夠精確，或者是假設(shè)顱骨的電阻率是均勻分布的，或者是假設(shè)顱骨的形狀是規(guī)則圓形的。事實(shí)上，顱骨的形狀厚度和電阻率分布都是極不均勻的。這些重要的物理特性對(duì)顱腦EIT的成像影響不可忽略。另外，當(dāng)前的仿真實(shí)驗(yàn)裝置也存在過(guò)于沉重、易受電磁干擾等缺點(diǎn)，所以，需要一種精確、便捷、易用、抗干擾能力強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)裝置。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置便于攜帶，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案一種基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括上下左右移動(dòng)和360°旋轉(zhuǎn)的支架，支架上放置有一個(gè)容器，容器內(nèi)裝有顱骨石膏模型，該顱骨石膏模型的每個(gè)部位及骨縫的電阻率值都接近真實(shí)在體顱骨數(shù)值，容器的內(nèi)表面貼放有兩層平行且等間距分布的電極，電極穿過(guò)容器內(nèi)側(cè)壁上的鉆孔與容器外側(cè)的屏蔽線相連。
所述的顱骨石膏模型由硬石膏翻制而成，并按照人體真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)分為8個(gè)部位 (其中額骨1塊，蝶骨大翼2塊，顳骨2塊，頂骨2塊，枕骨1塊)，按照與骨縫電阻率值近似的石膏將各部位連接成整體，具有較高的形狀精度。所述的容器由PSB樹(shù)脂經(jīng)激光快速成型機(jī)一次性燒制而成，其內(nèi)表面與顱骨石膏模型的形狀相吻合。所述的容器內(nèi)表面貼放有兩層平行的銀質(zhì)電極。第二層電極的位置比第一層低 20.00mm。電極為銀質(zhì)，厚度0. 30mm，直徑10. 00mm，純度為99. 99%。每層電極16個(gè)，等間距分布在同一水平面上。電極的一側(cè)用純度為99. 99%、直徑為3. OOmm的銀絲焊接。銀絲穿過(guò)容器內(nèi)側(cè)壁上的鉆孔與容器外側(cè)的屏蔽線相連。在電極焊接銀絲的一側(cè)，涂上耐水、耐酸堿的粘接劑，施加壓力使電極與樹(shù)脂容器內(nèi)側(cè)壁貼緊粘牢。所述的樹(shù)脂容器外側(cè)引出的每一根導(dǎo)線都帶有屏蔽層，長(zhǎng)度為1000.00mm。16根
導(dǎo)線交叉纏繞，外面套有屏蔽網(wǎng)，進(jìn)一步減少外界干擾。所述的支架主體材料由有機(jī)玻璃制作，支架上帶有高強(qiáng)度的不銹鋼滑動(dòng)游標(biāo)和刻度尺，最小刻度為0. 02mm，能夠進(jìn)行上下左右移動(dòng)和360°旋轉(zhuǎn)，便于精確定位。本發(fā)明的基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)在于采用極高形狀精度和真實(shí)電阻率分布的顱骨石膏模型，并配有真實(shí)顱骨形狀的樹(shù)脂容器，更加接近人體測(cè)量的實(shí)際情況，極大地減小了測(cè)量誤差；通過(guò)使用高純度銀質(zhì)電極，減小了極化電位；采用帶有屏蔽層的導(dǎo)線，并將各路導(dǎo)線交叉纏繞并套有屏蔽網(wǎng)，有效降低了電磁干擾；采用有機(jī)玻璃制作支架主體減輕了整體重量。因而本發(fā)明不僅更加符合顱腦EIT臨床監(jiān)護(hù)的實(shí)際情形，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且更加便攜易用。
圖1是顱骨物理模型制作流程圖；圖2是人體顱骨CT數(shù)據(jù)的三維重建圖，其中(a)是全顱骨重建圖，(b)是分離顱骨重建圖；圖3是激光快速成型加工的8塊樹(shù)脂模型圖片；圖4是用石膏翻制分離顱骨模型圖片，包括藻酸鹽印模、石膏模型和樹(shù)脂模型；圖5是顱骨石膏模型圖片，其中(a)是分離顱骨模型圖片，(b)是拼接顱骨石膏模型圖片，(c)是顱骨石膏模型放大圖片；圖6是樹(shù)脂容器制作流程圖；圖7是外殼的三維重建和樹(shù)脂模型圖片，其中(a)是三維重建，(b)是樹(shù)脂模型圖片，(c)是樹(shù)脂模型放大圖片；圖8是電極位置示意圖；圖9是裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)是正視圖，(b)是側(cè)視圖，(C)是俯視圖。圖中的標(biāo)記分別表示1、支架，2、容器(內(nèi)有顱骨石膏模型)，3、杠桿，4、游標(biāo)，5、刻度尺，6、螺絲。以下結(jié)合附圖和具體制作方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明具體實(shí)施例方式參見(jiàn)附圖9，本實(shí)施例給出一種基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置的制作實(shí)例，包括上下左右移動(dòng)和360°旋轉(zhuǎn)的支架1，支架1上放置有一個(gè)容器2，容器2內(nèi)裝有顱骨石膏模型，該顱骨石膏模型的每個(gè)部位及骨縫的電阻率值都接近真實(shí)在體顱骨數(shù)值，容器2的內(nèi)表面貼放有兩層平行且等間距分布的電極，電極穿過(guò)容器內(nèi)側(cè)壁上的鉆孔與容器外側(cè)的電極導(dǎo)線相連。1、顱骨石膏模型的制作流程見(jiàn)圖1。1. 1人體顱骨薄層CT數(shù)據(jù)采集采用螺旋CT(GE LightSpeed VCT)對(duì)無(wú)顱骨病變的成年男性患者進(jìn)行薄層顱腦掃描。掃描范圍包括全部腦顱骨。掃描參數(shù)為層厚0. 625mm，電壓120kV，電流MOmA。掃描層數(shù)為578層。圖像數(shù)據(jù)不壓縮，采用標(biāo)準(zhǔn)DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine，數(shù)字影像和通信標(biāo)準(zhǔn))文件格式保存。1. 2三維重建顱骨模型使用Geomagic Studio4. 0及MIMICS10. 0軟件將DICOM圖像文件讀入，首先對(duì)骨組織區(qū)域識(shí)別，然后進(jìn)行骨組織提取和三維疊加，完成顱骨幾何模型的三維重建，并對(duì)其進(jìn)行查錯(cuò)修補(bǔ)(如圖2(a)所示)。然后對(duì)重建的三維圖形沿著骨縫進(jìn)行分割，制作成分離的顱骨幾何模型(共分割為8塊。其中額骨1塊，蝶骨大翼2塊，顳骨2塊，頂骨2塊，枕骨1 塊，如圖2(b)所示)。1. 3快速成型機(jī)加工制造將重建后的三維可視模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，輸出STL格式的模型文件。采用選擇性激光燒結(jié)(selected laser sintering, SLS)快速成型機(jī)，以由聚_N_鄰羥芐叉乙烯基芐胺(poly-N-salicylidenevinylbenzylamine，PSB)樹(shù)脂為原料，通過(guò)激光照射逐層燒結(jié)分離顱骨模型(如圖3所示)。1. 4分離顱骨模型的翻制和電阻率設(shè)置為建立近似真實(shí)顱骨電阻率分布的顱骨物理模型，結(jié)合顱骨各部分生理結(jié)構(gòu)和課題前期關(guān)于不同結(jié)構(gòu)活性顱骨電阻率變化的研究結(jié)果，分別設(shè)置各分離顱骨和各部位骨縫的電阻率。依據(jù)課題組獲得的不同水粉配比的石膏與其電阻率的回歸方程，分別計(jì)算各分離模型和骨縫部位的石膏材料水粉配比。石膏材料水粉配比與其電阻率的關(guān)系以及在體人腦顱骨的電阻率值由課題組前期研究成果獲得。(參見(jiàn)文獻(xiàn)(1) :Tang C, You F, Cheng G, et al. Correlation between structure and resistivity variations of the live human skull[J]. IEEE Trans Biomed Eng，2008，55(9) 2286-22920文獻(xiàn)(2)李建波，近似真實(shí)形狀和非均勻電阻率分布的頭部物理模型的建立及其實(shí)驗(yàn)研究[D]，中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)碩士論文， 2011)。對(duì)激光快速成型的顱骨樹(shù)脂模型進(jìn)行表面打磨，消除由于工藝生產(chǎn)過(guò)程中造成的毛刺、邊緣凹凸等。用齒科藻酸鹽印模材分別制取每塊樹(shù)脂模型的印模，待印模固化形成后，取出樹(shù)脂模型，立即以相應(yīng)水粉比的石膏灌注模型，待石膏凝固后即可脫模(如圖4所示，左邊的為藻酸鹽印模，右邊上方為樹(shù)脂模型，右邊上方的為翻制的石膏模型)。1. 5拼接顱骨物理模型
首先修正、打磨脫模后的各塊顱骨(8塊)的石膏模型(如圖5(a)所示)，然后用相當(dāng)于骨縫電阻率的石膏將各塊石膏模型拼接在一起，最終形成近似真實(shí)形狀和非均勻電阻率分布的顱骨石膏模型(如圖5(b)、(c)所示)。2.樹(shù)脂容器的制作流程。參見(jiàn)圖6所示，加工外殼容器的過(guò)程與加工分離顱骨樹(shù)脂模型的過(guò)程類(lèi)似，仍然采用PSB樹(shù)脂為原料，用激光快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)。首先使用Geomagic Studio4. 0及MIMICS10. 0軟件將DICOM圖像文件讀入，然后對(duì)骨組織區(qū)域識(shí)別、提取和三維疊加，完成顱骨幾何模型的三維重建，并對(duì)其進(jìn)行查錯(cuò)修補(bǔ)， 最后提取重建后的三維圖形外表面區(qū)域，使其向外生長(zhǎng)5. OOmm厚度作為實(shí)驗(yàn)外殼的內(nèi)表面，實(shí)驗(yàn)外殼厚度設(shè)置為5. OOmm(如圖7 (a)所示)。重建完成后，輸出STL格式的模型文件， 采用選擇性激光燒結(jié)快速成型機(jī)，以PSB樹(shù)脂為原料，通過(guò)激光照射逐層燒結(jié)，最終形成樹(shù)脂容器(如圖7(b)、(C)所示)。3.電極及導(dǎo)線的制作樹(shù)脂容器制作完畢后，需在內(nèi)表面貼放電極以檢測(cè)信號(hào)。為了研究顱骨內(nèi)不同位置的阻抗變化情況，本實(shí)施例在樹(shù)脂容器內(nèi)貼放兩層電極(樹(shù)脂容器高度130. 00mm，外徑 205. OOmm,厚度5. OOmm)。每層電極為16個(gè)。電極的位置確定是沿外殼表面，經(jīng)眉弓上緣、兩側(cè)顳骨和枕骨組成一個(gè)平面，在此平面邊緣等間距確定16個(gè)點(diǎn)，作為貼放第一層16個(gè)電極的位置。第二層的16個(gè)電極的位置比第一層低20. 00mm。電極的材質(zhì)為銀片，厚度0. 30mm, 直徑10. 00mm，純度為99. 99% (如圖8所示)。使用電鉆在樹(shù)脂容器的電極位置打孔。電極的一側(cè)用純度為99. 99%、直徑為 3. OOmm的銀絲焊接。銀絲穿過(guò)鉆孔經(jīng)銅質(zhì)導(dǎo)線連接顱腦EIT主機(jī)。在電極焊接銀絲的一側(cè)， 涂上耐水、耐酸堿的粘接劑，施加壓力使電極與樹(shù)脂容器內(nèi)側(cè)壁貼緊粘牢，做成包埋式的固定電極，有助于克服實(shí)際監(jiān)測(cè)中電極位移引起的干擾和噪聲。每一根電極導(dǎo)線都帶有屏蔽層，長(zhǎng)度為1000.00mm。16根導(dǎo)線交叉纏繞，外面套有屏蔽網(wǎng)，以進(jìn)一步減少外界干擾。電極導(dǎo)線經(jīng)接口插件與顱腦EIT圖像監(jiān)護(hù)主機(jī)相連接。4.支架的制作支架1的主體材料采用有機(jī)玻璃，本實(shí)施例的支架1整體高度560. 00mm，長(zhǎng)度 280. 00mm，寬度沈0. 00mm。其重量輕，便于攜帶，降低了使用金屬材質(zhì)引入的電磁干擾，且更適于磁感應(yīng)電阻抗斷層成像的實(shí)驗(yàn)。此外，在支架1上有一個(gè)可升降和旋轉(zhuǎn)的杠桿3，支架 1上配有可調(diào)節(jié)的8個(gè)有機(jī)玻璃螺絲6，能適應(yīng)不同大小的容器2。支架1上還帶有高強(qiáng)度、 不易變形的不銹鋼滑動(dòng)游標(biāo)4和刻度尺5，最小刻度為0. 02mm。因此，支架1在杠桿3的作用下能夠進(jìn)行上下左右移動(dòng)和360°旋轉(zhuǎn)，具有較高的空間定位精度(如圖9所示)。經(jīng)測(cè)試表明，本發(fā)明的基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，可重復(fù)使用，性能穩(wěn)定，是一種更精確、易用、抗干擾能力更強(qiáng)的顱骨模型實(shí)驗(yàn)裝置，有利于開(kāi)展顱腦電阻抗斷層成像(Electrical Impedance tomography, EIT)的深入研究。需要說(shuō)明的是，以上給出的實(shí)施例是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明較優(yōu)的例子，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的技術(shù)特征所做出的任何非本質(zhì)的添加、 替換，例如在容器、顱骨模型、電極、導(dǎo)線、支架的尺寸、材料進(jìn)行的任何改動(dòng)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括上下左右移動(dòng)和360°旋轉(zhuǎn)的支架，支架上放置有一個(gè)容器，容器內(nèi)裝有顱骨石膏模型，該顱骨石膏模型的每個(gè)部位及骨縫的電阻率值都接近真實(shí)在體顱骨數(shù)值，容器的內(nèi)表面貼放有兩層平行且等間距分布的電極，電極穿過(guò)容器內(nèi)側(cè)壁上的鉆孔與容器外側(cè)的電極導(dǎo)線相連。
2.如權(quán)利要求1所述的基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的顱骨物理模型由硬石膏翻制而成，并按照人體真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)分為形狀精度較高的8個(gè)部位，即，額骨1塊，蝶骨大翼2塊，顳骨2塊，頂骨2塊，枕骨1塊，按照與骨縫電阻率值近似的石膏將各部位連接成整體。
3.如權(quán)利要求1所述的基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的容器由PSB樹(shù)脂經(jīng)激光快速成型機(jī)一次性燒制而成，其內(nèi)表面形狀與顱骨石膏模型的形狀相吻合。
4.如權(quán)利要求1所述的基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的電極為銀質(zhì)，厚度0. 30mm,直徑10. OOmm,純度為99. 99 % ；每層電極16個(gè)，等間距分布在同一水平面上。
5.如權(quán)利要求1或4所述的基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的兩層電極中的第二層電極的位置比第一層低20. 00mm。
6.如權(quán)利要求1所述的基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的電極的一側(cè)用純度為99. 99%、直徑為3. OOmm的銀絲焊接，在電極焊接銀絲的一側(cè)，涂有耐水、耐酸堿的粘接劑，使電極與容器內(nèi)側(cè)壁緊貼。
7.如權(quán)利要求1所述的基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的容器外側(cè)引出電極導(dǎo)線帶有屏蔽層，長(zhǎng)度為1000. OOmm, 16根導(dǎo)線交叉纏繞， 外面套有屏蔽網(wǎng)。
8.如權(quán)利要求1所述的基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的支架的主體材料由有機(jī)玻璃構(gòu)成，支架上帶有不銹鋼滑動(dòng)游標(biāo)和刻度尺，最小刻度為0. 02mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于真實(shí)形狀和電阻率分布的顱骨物理模型實(shí)驗(yàn)裝置，包括上下左右移動(dòng)和360°旋轉(zhuǎn)的支架，支架上放置有一個(gè)容器，容器內(nèi)裝有顱骨石膏模型，該顱骨石膏模型的每個(gè)部位及骨縫的電阻率值都接近真實(shí)在體顱骨數(shù)值，容器的內(nèi)表面貼放有兩層平行且等間距分布的電極，電極穿過(guò)容器內(nèi)側(cè)壁上的鉆孔與容器外側(cè)的屏蔽線相連。與人體真實(shí)顱骨相比，該模型具有極高的形狀精度和真實(shí)電阻率分布?？芍貜?fù)使用，性能穩(wěn)定，提供了一種更精確、更易用、抗干擾能力更強(qiáng)的顱骨模型和實(shí)驗(yàn)裝置，有利于開(kāi)展顱腦電阻抗斷層成像的深入研究。
文檔編號(hào)G09B23/28GK102522037SQ20111033942
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者付峰, 劉銳崗, 史學(xué)濤, 季振宇, 尤富生, 徐燦華, 李建波, 楊濱, 湯池, 漆家學(xué), 董秀珍 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)