具有真实电阻率分布特性的多层人头部容积导体物理模型构建方法研究

In the field of electromagectic brain science, an accurate human-head phantom model with realistic resistivity distribution significantly improves the relevant research activities. However, the current phantoms cannot meet the demands because the realistic resistivity distribution of human head was not appropriately simulated and the sophisticated multi-layered geometry of human head was incompletely modeled. Accordingly, based on the previous program on the resistivity of live human-head tissues, we plan to conduct a series of studies on human-head phantom modeling problems with 3D printing and other techniques, including: the resistivity characteristics and adjust methods of phantom materials for printing, the effects of micro-structure and environment to the phantom materials for printing, the method of constructing the skull phantom with inhomogeneous resistivity distribution, the method of building an multi-layered human-head phantom, the approach to mimicking the resistivity changes caused by brain lesion, as well as EIT imaging experiments, in order to establish a multi-layered human-head phantom with realistic resistivity distribution and sophisticated geometry and to provide a novel research platform for the associated scientific fields like electrical impedance tomography of brain, location of EEG sources and electromagectic effects of brain.

在人脑电磁科学的相关研究领域中，精确的人头部容积导体物理模型有助于提升研究结果的准确性和可靠性。但目前，国内外现有的人头部容积导体物理模型仍存在诸多问题，如不能精准表征颅骨的电阻率非均匀分布特性等，因此尚无法完全满足相关研究领域的需要。本项目拟在前期研究人头部活性组织电阻抗特性规律的基础上，以3D打印为主要研究方法，结合其他模型构建技术，针对精准建模中的一系列关键问题展开深入研究，包括用于头部模型构建的打印材料电阻率特性及其调控方法、微观打印结构及环境因素对电阻率特性的影响、具有真实电阻率非均匀分布的颅骨模型构建方法、多层人头部容积导体物理模型构建方法、多目标定位的颅内病变组织模型构建方法、以及模型实验研究，最终以精确建立既有真实形状结构、又有真实活性组织电阻率分布的多层人头部容积导体物理模型，为推动颅脑电磁成像技术、脑电源定位及电磁生物效应等领域的深入发展提供全新的研究平台。

在人脑电磁科学研究领域中（新型医学电磁成像技术、脑电源定位及电磁生物效应等），通常将人头部作为一个具有一定体积的导电体，即容积导体。同时，人头部也是极其精细、复杂的器官，不仅具有不规则的几何结构，而且包含多种不同电阻抗特性的组织。若不能对人头部建立科学合理的容积导体模型，将给相关研究带来诸多不便与困难。而物理模型作为一种常用的科学研究方法，不仅广泛应用于病因、病理及影响因素等分析，而且也大量用于医疗设备的计量和检测，在生命科学与医学研究领域具有重要的价值与作用。因此，根据上述研究领域的特定需求，针对人体头部的电学特性，建立精确、准确的人头部容积导体物理模型，是进一步推进相关研究工作的迫切需要和关键环节。.本课题基于课题组前期关于人体活性组织电阻抗特性的研究成果，将3D 打印技术引入人体头部容积导体物理模型的构建中，针对模型构建中的一系列关键问题展开深入研究，并结合其他模型构建方法，以精确建立既有真实形状结构、又有真实颅骨电阻率分布的多层人头部容积导体物理模型，为推动颅脑电磁成像技术、脑电源定位及电磁生物效应等领域的深入发展提供全新的研究平台。研究内容包括.(1) 用于头部模型构建的打印材料电阻率特性及其调控方法研究；.(2) 微观打印结构及环境因素对电阻率特性的影响研究；.(3) 具有真实电阻率非均匀分布的颅骨模型构建方法研究；.(4) 包含头皮、颅骨、脑脊液、脑实质的多层人头部容积导体物理模型构建方法及实验研究。.项目完成了课题的主要研究目标，主要包括：第一，完成了打印材料电阻率调控方法并分析其影响因素（建立了3D打印材料配比与电阻率定量关系1套，配比误差控制在±5%；建立了确保电阻率稳定（±5%）的3D微观打印参数组合1套）；第二，利用3D打印技术，精确建立既有真实形状结构、又有真实电阻率分布的多层人头部容积导体物理模型（建立了颅骨模型3D打印方法1套，构建颅骨模型3个）；第三，形成基于3D打印技术构建生物电磁模型的方法规范。