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面向生物控制的鲤鱼脑组织及脑电极三维重建

发布时间:2021-12-24 12:28
  为了给鲤鱼机器人脑电极准确植入进行定位导航,本研究拟建立脑结构及脑电极三维立体模型。借助脑立体定位仪将钨电极植入鲤鱼小脑,通过离水电刺激实验和水下控制实验发现脑运动区并获取其三维坐标值,应用3.0 T磁共振成像仪对颅脑及电极成像,应用3D-DOCTOR和Mimics软件进行三维重建。结果显示,所发现的脑运动区及坐标值是准确的,构建的脑组织及脑电极三维重建图再现了脑立体结构,可观察到脑电极与脑组织、脑组织与颅骨表面的相对空间位置关系;通过构建的脑组织三维重建综合显示图,可观察到三维重建的脑组织在磁共振图像中的解剖位置,以及脑组织与颅骨表面的相对空间位置关系。本研究所构建的三维重建模型可为脑电极植入提供定位导航工具。 

【文章来源】:生物医学工程学杂志. 2020,37(05)北大核心EICSCD

【文章页数】:7 页

【部分图文】:

面向生物控制的鲤鱼脑组织及脑电极三维重建


借助脑立体定位仪植入脑电极

磁共振,针孔,电极,鲤鱼


由于二维的磁共振图像不能观察到脑组织的三维立体结构与形态特征,因此本研究利用3D-DOCTOR软件和Mimics软件实现鲤鱼脑组织及植入脑电极的三维重建。图3是植入脑电极的鲤鱼脑组织三维重建图,能够显示电极植入方向和植入位点,能够观察到脑电极与脑组织的相对空间位置关系。利用Mimics软件通过手动勾勒感兴趣区域和调节阈值,进行了轴状位、冠状位、矢状位的鲤鱼脑组织显影(见图4)。在此基础上,进行脑组织的三维重建,图5是鲤鱼脑组织的三维重建图,构建出了嗅球、嗅茎、端脑、中脑、小脑、迷叶、延脑等结构,其中嗅茎连接于端脑,直达鼻部嗅囊,嗅茎末端各有一椭圆形的嗅球;端脑位于脑的最前部,含有嗅觉中枢;中脑较大,是视觉中枢所在区域;小脑是运动的主要协调中枢;迷叶在小脑后侧面;此后是延脑。本文鲤鱼脑组织三维重建图与秉志[20]在《鲤鱼解剖》专著中所述的脑结构基本一致,表明本文鲤鱼脑组织三维重建图不仅是成功的也是可信的。如图6所示,本研究将鲤鱼脑组织轴状位、冠状位、矢状位三个方向的二维磁共振图像与重建后的三维脑组织立体模型进行融合,构建出鲤鱼脑组织三维重建综合显示图。通过比对,可以看出三维重建脑组织立体模型的外轮廓与二维脑组织磁共振图像的外轮廓相契合,无论是轴状位、冠状位还是矢状位都能够吻合,三维重建后的鲤鱼脑组织结构、形状和大小均不失真。通过三维重建综合显示图,可以直观观察到三维重建的脑组织在磁共振图像中的解剖位置和形状,有利于观察脑组织与颅骨表面的相对空间位置关系。脑结构及脑电极三维立体模型的构建,可为脑电极的精准植入提供定位与导航的依据和工具,对提升动物机器人控制的精确性和有效性具有重要的研究价值和意义。

磁共振,电极,三维重建,鲤鱼


如图6所示,本研究将鲤鱼脑组织轴状位、冠状位、矢状位三个方向的二维磁共振图像与重建后的三维脑组织立体模型进行融合,构建出鲤鱼脑组织三维重建综合显示图。通过比对,可以看出三维重建脑组织立体模型的外轮廓与二维脑组织磁共振图像的外轮廓相契合,无论是轴状位、冠状位还是矢状位都能够吻合,三维重建后的鲤鱼脑组织结构、形状和大小均不失真。通过三维重建综合显示图,可以直观观察到三维重建的脑组织在磁共振图像中的解剖位置和形状,有利于观察脑组织与颅骨表面的相对空间位置关系。脑结构及脑电极三维立体模型的构建,可为脑电极的精准植入提供定位与导航的依据和工具,对提升动物机器人控制的精确性和有效性具有重要的研究价值和意义。图4 鲤鱼脑组织阈值提取

【参考文献】:
期刊论文
[1]鲤鱼机器人无线遥控系统设计与应用[J]. 彭勇,王婷婷,闫艳红,陈志旺,温淑焕,韩晓晓,赵洋,刘佳宁,张乾.  中国生物医学工程学报. 2019(04)
[2]人丘脑断面解剖及磁共振图像三维重建[J]. 任珂,金保哲,张新中.  新乡医学院学报. 2019(06)
[3]一种用于鲤鱼机器人的光刺激装置及光控实验方法[J]. 彭勇,韩晓晓,王婷婷,刘洋,闫艳红,赵洋,王爱迪,苏佩华,张凡.  生物医学工程学杂志. 2018(05)
[4]控制动物机器人运动行为的脑机制和控制方法[J]. 苏学成,槐瑞托,杨俊卿,汪慧,吕常智.  中国科学:信息科学. 2012(09)
[5]一种基于Ray Casting算法的医学影像重建系统[J]. 徐红娟,韩玉合,刘文洲,李书杰.  软件. 2012(09)
[6]电刺激家鸽中脑诱导运动的初步研究[J]. 董满收,蔡雷,王浩,戴振东,王文波.  生物学杂志. 2012(04)
[7]肠道生物机器人中驱动装置的刺激控制系统研究[J]. 王振宇,皮喜田,魏亢,周升山,徐林,刘洪英,郑小林,彭承琳.  中国生物医学工程学报. 2010(05)
[8]基于新型多通道脑神经刺激遥控系统的动物机器人研究[J]. 杨俊卿,苏学成,槐瑞托,刘小峰.  自然科学进展. 2007(03)

博士论文
[1]大壁虎运动人工诱导的基础研究[D]. 王文波.南京航空航天大学 2008



本文编号:3550486

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