Антропоморфные модели мозга на основе изображений магнитно-резонансной томографии
https://doi.org/10.35596/2522-9613-2022-28-2-61-69
Аннотация
Статья посвящена созданию метода генерирования антропоморфных моделей мозга на основе изображений магнитно-резонансной томографии (МPТ). Подбор амплитуды магнитного поля для транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) осуществляется за счет моделировании с использованием метода конечных элементов (FEM). FEM-модели графически демонстрируют информацию о распределении магнитного поля и, следовательно, о возникающих нейрофизиологических и поведенческих изменениях, основанных на дозе ТМС, удельном сопротивлении тканей головы и ее анатомии. Таким образом, данные модели являются неотъемлемым инструментом, используемым для проектирования, настройки и программирования устройств ТМС, а также для исследования таких параметров как сила и напряженность магнитного поля. Отличительным аспектом данной работы является качество получаемых моделей головы. При создании вычисляемых FEM-моделей использовался снимок МРТ головы для проведения сегментации в среде FreeSurfer. Далее производились преобразования изображений в среде Matlab. После была создана сборка модели головы в COMSOL Multiphysics и проведено моделирование ТМС. Результатом преобразований является модель головы, выполненная в виде объемной сетки, которая пригодна для проведения моделирования. Полученные данные можно использовать для персонализации метода ТМС в медицине.
Об авторах
В. В. Кабачек
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Беларусь
Беларусь
Кабачек Вячеслав Валерьевич, аспирант кафедры электронной техники и технологии
220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6
Тел.:+375-17-293-88-41
Н. С. Давыдова
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Беларусь
Беларусь
К. т. н., доцент, доцент кафедры инфокоммуникационных технологий
220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6
Тел.:+375-17-293-88-41
М. М. Меженная
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Беларусь
Беларусь
К. т. н., доцент, доцент кафедры инженерной психологии и эргономики
220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6
Тел.:+375-17-293-88-41
М. В. Давыдов
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Беларусь
Беларусь
К. т. н., доцент, первый проректор
220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6
Тел.:+375-17-293-88-41
Список литературы
1. Allen, C. H. Safety of transcranial magnetic stimulation in children: A systematic review of the literature / C.H. Allen, B.M. Kluger, I. Buard // Pediatr Neurol, 2017. – Vol. 68. – P. 3–17.
2. Kirkcaldie, M. T. Transcranial magnetic stimulation as therapy for depression and other disorders / M. T. Kirkcaldie, S. A. Pridmore, A. Pascual-Leone // Aust NZJ Psychiatry, 1997. – Vol. 31. P. 264–272.
3. McNamara B. Transcranial magnetic stimulation for depression and other psychiatric disorders / B. McNamara, J. L. Ray, O. J. Arthurs, S. Boniface // Psychol Med, 2001. – Vol. 31. – P. 1141–1146.
4. Wassermann, E. M. Therapeutic application of repetitive transcranial magnetic stimulation: a review / E.M. Wassermann, S.H. Lisanby // Clin Neurophysiol, 2001. – Vol. 112. P. 1367–1377.
5. Meyer, B.U. Introduction to diagnostic strategies of manetic stimulation. In: A. Pascual-Leone, N. Davey, J. Rothwell, E. Wasserman // Handbook of transcranial magnetic stimulation. – London: Arnold, 2002. – P. 177–84.
6. Walsh, V. A primer of magnetic stimulation as a tool for neuropsychology / V. Walsh, M. Rushworth // Neuropsychologia, 1999. – Vol. 37. – P. 125–35.
7. Brunoni, A. R. [et al.]. Clinical research with transcranial direct current stimulation (tDCS): Challenges and future directions // Brain Stimulation, Jul. 2012. – Vol. 5. – No. 3. – P. 175–195.
8. Kuo, M.-F. Boosting focally-induced brain plasticity by dopamine / M.-F. Kuo, W. Paulus, M. A. Nitsche // Cereb. Cortex, Mar. 2008. – Vol. 18. – No. 3. – P. 648–651.
9. Beam, W. An efficient and accurate new method for locating the F3 position for prefrontal TMS applications. / W. Beam [et al.]. // Brain Stimul., Jan. 2009. – Vol. 2. – No. 1. – P. 50–54.
10. Rusjan, P. M. Optimal transcranial magnetic stimulation coil placement for targeting the dorsolateral prefrontal cortex using novel magnetic resonance image-guided neuronavigation. / P. M. Rusjan [et al.]. – Hum Brain Mapp, Nov. 2010.– Vol. 31. No. 11. – P. 1643–1652.
11. Lefaucheur, J. P. Evidence-based guidelines on the therapeutic use of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS). / J. P. Lefaucheur [et al.] // Clinical Neurophysiology. – Vol. 125 (11). – P. 2150–2206.
12. Fang, J. Repetitive transcranial magnetic stimulation for the treatment of amyotrophic lateral sclerosis or motor neuron disease / J. Fang [et al.]. // The Cochrane Database of Systematic Reviews, May 2013. – Vol. 5.
13. Pereira L. S. Safety of repetitive transcranial magnetic stimulation in patients with epilepsy: A systematic review / L. S. Pereira, Apr. 2016. – Epilepsy & Behavior. 57 (Pt A) – Р. 167–176.
14. Machado, S. Therapeutic applications of repetitive transcranial magnetic stimulation in clinical neurorehabilitation / S. Machado // Functional Neurology. – 2008. – Vol. 23 (3). P. 113–122.
15. Merton, P. A. Stimulation of the cerebral cortex in the intact human subject / P. A. Merton, H. B. Morton // Nature, 1980. – P. 285–287.
16. Epstein, N. E. The need to add motor evoked potential monitoring to somatosensory and electromyographic monitoring in cervical spine surgery. – Surg Neurol Int., 2013. – Vol. 4(Suppl 5). – P. S383–S391.
17. Barker, A. T. Noninvasive magnetic stimulation of human motor cortex / A. T. Barker, R. Jalinous, I. L. Freeston – Lancet, 1985. – P. 1106–1107.
18. Bickford, R. G. Magnetic stimulation of human peripheral nerve and brain: response enhancement by combined magnetoelectrical technique. / R. G. Bickford [et al.]. // Neurosurgery. – 1987. – Vol. 20. –No. 1. – P. 110–116.
19. Hallett, M. Repetitive transcranial magnetic stimulation. Recommendations for the practice of clinical neurophysiology: guidelines of the international federation of clinical neurophysiology / M. Hallett [et al.]. // Electroencephalography and clinical neurophysiology. (2nd ed.). – 1999. – Suppl. 52. – P. 105–113.
20. Rossi, S. The Safety of TMS Consensus Group. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research / S. Rossi, M. Hallett, P.M. Rossini, A. Pascual-Leone // Clin Neurophysiol, 2009. – Vol. 120(12). – P. 2008–2039.
21. Walsh, V. Transcranial Magnetic Stimulation: A Neurochronometrics of Mind / V. Walsh, A. Pascual-Leone. – Cambridge, Massachusetts: MIT Press, 2003.
22. Eldaief M., Press D., Pascual-Leone A. Transcranial magnetic stimulation in neurology // Neurology. Clinical Practice. – Dec. 2013. – P. 519–525.
23. Najib U. Transcranial Brain Stimulation: Clinical Applications and Future Directions / U. Najib // Neurosurg Clin N Am, 2011. – Vol. 22(2). – P. 233–258.
24. Huerta, P. Transcranial magnetic stimulation, synaptic plasticity and network oscillations / P. Huerta., Т.J. Volpe // NeuroEngin Rehab. – 2009. – Vol. 6. – P. 7–11.
25. Zangen, A. Transcranial magnetic stimulation of deep brain regions: evidence for efficacy of the H-coil / A. Zangen //. Clinical Neurophysiology. – Apr. 2005.– Vol. 116 (4). – P. 775–779.
26. Krasteva, V. Current density distribution in magnetic simulation of the brain / V.Krasteva, S.Papazov // The First International Scientific Teleconference «New Technology in Medicine». – Saint-Petersburg, Russia, 2002.
27. Krasteva, V. Magnetic stimulation for nonhomogeneous biological structures. / V. Krasteva, S. Papazov, I. Daskalov // BioMed Eng. – 2002. – №3. – P. 37–39
28. Modeling the E-field induced in TMS [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://moodlearquivo.ciencias.ulisboa.pt/1516/pluginfile.php/131807/mod_resource/content/2/Template_Campo%20elétrico%20em%20estimulação%20magnética.pdf
29. Using Finite Element Modelling to Improve Transcranial Magnetic Stimulation Devices [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://cdn.comsol.com/resources/2016-keynotes/munich/Biginton-Using_Finite_Element_Modelling_to_Improve_Transcranial_Magnetic_Stimulation_Devices.pdf
30. From MR Images to Electric Field: Modeling Transcranial Magnetic Stimulation [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.instructables.com/id/From-MR-Images-to-Electric-Field-Modeling-Transcra/
31. Magnetic Stimulation of the Human Brain with Low-Intensity Field [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://pdfs.semanticscholar.org/4c4a/58a96453935d165a489e0669585042f5243f.pdf
Рецензия
Для цитирования:
Кабачек В.В., Давыдова Н.С., Меженная М.М., Давыдов М.В. Антропоморфные модели мозга на основе изображений магнитно-резонансной томографии. Цифровая трансформация. 2022;28(2):61-69. https://doi.org/10.35596/2522-9613-2022-28-2-61-69
For citation:
Kabachek V.V., Davydova N.S., Mezhennaya M.M., Davydov M.V. Anthropomorphic Brain Models Based on Magnetic Resonance Imaging. Digital Transformation. 2022;28(2):61-69. (In Russ.) https://doi.org/10.35596/2522-9613-2022-28-2-61-69
Просмотров: 2118
Послать статью по эл. почте 