概述 颅外皮层刺激（ECS）是一种新型神经调节技术，优点是以微创的方式向大脑传递强电场。为了展示它的潜力，计算模型在评估软组织内电场的研究中不可或缺。鲁汶大学的研究人员使用Simpleware软件创建了一个植入ECS电极的真实人体头部模型，并生成四面体网格模型，然后将其导出至仿真软件（COMSOL Multiphysics）进行模拟。Simpleware软件的一个重要特点是能够在感兴趣区域（ROI）生成致密的高质量网格，从而以低成本高效益的方式产生准确的结果。该项目成果已发表在《神经科学前沿》。 亮点 颅外皮层刺激被认为能够在大脑中引发强电场在Simpleware ScanIP中创建植入ECS电极的真实人体头部模型在Simpleware FE中对ROI生成高密度的四面体网格将网格模型导出至COMSOL Multiphysics仿真结果表明ECS可以向大脑传递强电场 介绍 皮层刺激技术已被证明可以有效治疗不同病理和精神疾病，包括侵入式和非侵入式的方法。就前者而言，直接皮层电刺激（DCS）需要通过开颅手术将电极直接放置在大脑上。DCS能够产生强烈的神经调节作用，但患者面临着较高的风险。相比之下，经颅电刺激（tES）是一种非侵入式的神经调节技术，附着在头皮上的电极之间传递较弱的电流更为安全。 鲁汶大学的研究人员开发了一种新颖的微创神经调节技术 – – 颅外皮层刺激（ECS），通过将刺激电极直接放置在皮下颅骨上，进而提高治疗效果。该项目研究了ECS向大脑传递强电场的潜力，使用计算模型评估ECS期间感应皮层电场，并与tES和DCS进行比较。为此，他们使用Simpleware软件生成包含所需电极的高质量人体头部模型，然后导出至COMSOL Multiphysics模拟电场分布。 人体头部建模 为了生成人体头部模型，将详细模型MIDA（Iacono et al., 2015）导入Simpleware ScanIP。该模型由115个面网格组成，代表着从头部扫描中分割出的不同组织。使用Simpleware CAD模块将面网格转换为基于图像的掩膜，然后合并形成感兴趣的5个主要掩膜：皮肤、颅骨、脑脊液、灰质、白质，以及空气。这些掩膜显示导入的表面之间有一些跟实际情况不一致的现象，比如间隙，即两个相邻代表组织的掩膜之间出现了空的体素。这些缺陷是不真实的，还可能会影响网格的生成。利用Simpleware ScanIP中的图像处理工具可以填充孔洞，修正这种情况。 图：人体头部模型矢状位视图（在Simpleware ScanIP中获取）的截图清晰地展示了不同颜色区分的分割组织：皮肤（橙色）、颅骨（淡黄色）、脑脊液（蓝色）、灰质（深灰色）、白质（浅灰色）和空气（黑色）。 电极建模 所述ECS电极由中心圆盘、环形电极以及防止电流通过皮肤的绝缘背层组成。首先通过使用Simpleware 3D编辑工具扩张皮肤掩膜的副本创建电极层，然后应用布尔运算工具保持掩膜部分与皮肤相交。 生成电极层后，在此基础上创建一个具有特定半径、方向和位置的圆柱形掩膜，将它与电极层交叉的部分定义为中心圆盘。同样地，环形电极是通过两个半径分别为环形内缘和外缘的圆盘电极相减获得。为了模拟绝缘背层，同样采用了类似生成电极的方法，确保各层覆盖到了所有电极以防止与皮肤直接接触。 图：植入电极后的人体头部模型。左：矢状位视图（在Simpleware ScanIP中获取），中心圆盘和环形电极呈红色，绝缘层呈绿色。右图：Simpleware ScanIP中3D视图的截图，对皮肤和绝缘层设置了较高的透明度，可以更好地展示颅骨上的电极。 生成四面体网格 在创建了人体头部和电极的模型后，在Simpleware FE模块中生成四面体网格。为了得到更精确的模拟结果，在电极周围区域增加了四面体网格的单元数量。这是一个非常有用的功能，在保持合理网格数量和模拟时间的同时，提高了模型结果的准确性。 图：在Simpleware FE中生成的人体头部多部分体积网格模型，包括：白质、灰质、脊髓液、颅骨、电极组件、软组织和空气。 模拟和结果 将四面体网格模型导入COMSOL Multiphysics，设置边界条件，通过求解Laplace方程计算电场。结果表明，ECS期间产生的电场是tES产生电场的20倍以上，感应皮层电场的强度和焦距取决于电极尺寸和中心电极与环形电极之间的距离。 图：同样施加1 mA电流时，COMSOL仿真结果显示ECS（左）和tES（右）期间的电场分布（请注意刻度的范围）。从图中可以看出，与tES相比，ECS期间的电场强度更强、更集中。 结论 颅外皮层刺激（ECS）是一种新型的微创神经调控技术，能够产生较强的皮层电场，已由Simpleware软件和COMSOL Multiphysics生成的计算模型证实。该技术可应用于刺激不同的皮层区域，治疗多种神经和心理疾病。研究结果表明，电极的配置会影响大脑中的电场强度和聚焦。为了避免不必要的副作用并实现最佳治疗效果，未来的计算研究应侧重于优化电极设计，达到只针对特定皮层区域而不刺激其他部位的目的。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/epicranial-cortical-stimulation.htmlKhatoun, A., Asamoah, B., Mc Laughlin, M., 2018. Investigating the Feasibility of […]

概述 交变电场或肿瘤电场治疗（TTFields）是一种治疗癌症，特别是复发性胶质母细胞瘤的电磁场疗法。与传统方法相比，肿瘤电场治疗通过头皮上的阵列传递低强度的电流，展现出良好的效果。然而，人们对肿瘤电场治疗在脑内的精确分布以及它们覆盖复发性胶质母细胞瘤程度仍不甚了解。医学图像数据的计算仿真为分析肿瘤电场治疗胶质母细胞瘤的效果提供了解决方案，Simpleware 软件可以为此类应用研究生成精准的模型。 亮点 获取复发性胶质母细胞瘤患者治疗期间的MRI数据使用 Simpleware 软件生成带有传感器阵列的三维头部模型并划分网格将网格模型导出至 COMSOL Multiphysics 分析电场分布仿真结果有助于拓展对肿瘤电场治疗的认识 MRI 图像采集与肿瘤治疗 研究人员的目的是测定患者脑内的电场分布随频率的变化，因此他们对大脑结构使用了协同配准（co-registered）钆剂后 T1 加权、T2 和 MP RAGE 图像与预设的电导率和相对介电常数。1 例 67 岁女性患者的神经影像学回顾性分析，其患有右侧后脑复发性胶质母细胞瘤，在初始经过神经外科手术切除后进行了 6 个月的肿瘤电场治疗，每日颅外照射加替莫唑胺，照射后以替莫唑胺为佐剂。然后她同时接受注射一剂 10 mg/kg 的贝伐珠单抗（每两周一次）和肿瘤电场治疗，在可能的情况下持续地作用在她剃光的头上。传感器阵列的放置是基于计算机通过对MRI数据中她头部、肿瘤大小和肿瘤位置的形态测量，从而生成的个性化布局。这两种治疗持续到 24 个月时在右侧脑室外侧缘发现另一个患病部位。 图：患者脑部 MRI 图像：初始治疗 6 个月后，肿瘤可见于上层切片（A）和下层切片（B）；24 个月后在右侧脑室外侧缘（D）处发现新的患病部位，而原发肿瘤稳定（C）。 图像处理和网格划分 同一个基线 MRI 用于布局，使用 Simpleware ScanIP 由协同配准的 MRI 图像数据生成头部 3D 模型。在Simpleware FE 中为每一个分割出的头部结构和传感器阵列生成有限元网格，头部包括头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液（CSF）、幕上灰/白质、脑室、脑干、小脑、复发性胶质母细胞瘤。然后将复合的有限元网格模型导出为 COMSOL Multiphysics 的格式。 图：利用 Simpleware 软件创建带有传感器阵列的头部模型 模拟结果 […]

概述 MicroPort 是一家在全球范围内为患者开发救生医疗产品的公司。MicroPort 也是专业生产治疗心律紊乱和心力衰竭的心律管理设备（CRM）制造商。该公司使用 Synopsys 的Simpleware 软件对复杂的起搏器几何结构进行建模，以便更好地理解患者心动过缓和心动过速等情况的治疗方法。MicroPort通常要对研发设备进行既昂贵又耗时的动物测试，在试图减少错误时承担着重大的伦理风险。而基于图像的有限元仿真提供的另一种测试方法，能够减少对动物测试的依赖，降低设备故障风险，并且没有与动物测试类似的伦理风险。 亮点 使用人体模型的仿真减少动物试验需求仿真过程快速、高效、成本低Simpleware 软件可在网格划分前修复模型Simpleware 软件的模型为仿真提供了直接路线 处理躯干模型 MicroPort 由 IT’IS 基金会和美国食品药品监督管理局提供的数据集开发出逼真的几何结构，从而开始了他们的模拟过程。利用 Simpleware 软件先对原始 STL 文件进行处理，分割出用于仿真的感兴趣的区域。Simpleware 软件的易用性允许其对单个部位三角剖分错误（如孔洞、顶点到顶点的连接和非流形边）进行修复。在 Simpleware 软件中进行的处理操作能够使 STL 数据更适合网格划分和仿真。 图：在Simpleware软件中对原始几何结构进行处理，为仿真准备网格 创建稳健的FE模型 对图像数据分割后，在 Simpleware 软件中导出用于仿真的模型：用于 COMSOL Multiphysics 的体积网格和可用于几何结构编辑和重新划分网格的 NURBS IGES 文件。Simpleware 的网格可以保证严密性、光滑且精准的几何结构以及无缝隙的正确拓扑结构。这种高质量的网格划分水平使 COMSOL Multiphysics 中的网格能够为电磁（EM）仿真做好充分的准备。 图：Simpleware 软件为 COMSOL Multiphysics 导出稳健的模型 生成人体心脏模型 为了改进仿真细节，需要使用 Simpleware 软件处理从单独的数据集中创建的心脏模型。主要任务是在原始心脏模型中添加腔室，并使用图像处理工具从图像数据中去除不必要的细节。Simpleware 软件可以将腔室的分割和模型外表面向实体的封闭以单独的 NURBS 文件形式导出至 COMSOL。 图：将 NURBS […]