脑肿瘤是第二常见的儿科癌症，尽管近几十年来在脑外科领域所取得的所有医学的进步，患者的生存率与脑瘤并没有太大的改善。脑肿瘤的死亡率仍然很高;胶质母细胞瘤患者的中位生存时间，间变性星形细胞瘤患者的中位生存时间。今天，神经外科手术涉及脑和脊髓肿瘤患者的诊断，治疗和术后康复。选择合适的治疗技术的决定性因素高度依赖于肿瘤的类型和几何特征。
　　最近的医学技术进步提供了一种称为微创手术的新手术技术，以最小化对正常组织的创伤以及减少恢复时间。微创手术由两个基本特征定义：准确识别手术解剖结构和针对目标的微创手术走廊。内窥镜器械主要用于一般微创手术，通过小切口进行手术。微创神经外科通常被认为是通过头皮或颅骨中的小开口进行脑外科手术。然而，这种外科手术的目标是实施微创手术以优化脑肿瘤切除，对所处理的异常周围的脑组织的影响最小。对于微创神经外科手术，已经开发了先进的手术技术，如适形放射，激光热疗，聚焦超声和图像引导手术，包括术中成像。特别地，术中的成像技术可以如微创手术开颅过程中施加，以检测肿瘤的位置“脑移位”的效果，并因此减少对正常组织的副作用。注意，颅骨和硬脑膜的开口，脑脊液的丧失，肿瘤的切除和颅内压的降低常常有助于手术中脑变形称为“脑移位”。去除颅骨后脑表面可变形达，切除大病灶后甚至可达。脑移位降低术前的数据的准确性，使术肿瘤划定非常困难。今天，术中成像的医学进步，如磁共振成像和计算机断层扫描，可以帮助神经外科医生弥补脑移位的影响，并对正常组织和关键结构造成最小的损伤，进行精确的肿瘤切除。
　　在最早的神经成像研究之一，描述了在手术室中使用磁共振成像以消除由于大脑移位或移位而在手术期间可能出现的错误。磁共振成像在脑肿瘤切除期间提供出色的术中图像引导和各种手术数据，如肿瘤位置及其边缘，以及高分辨率的功能和血管参数。除了音利，有利用计算机断层扫描成像术中的报道和超声试图获取受脑转移影响的脑肿瘤的实时数据。尽管在图像引导神经外科手术方面取得了很大进展，但由于患者暴露于磁场和射线的有害影响，因此术中成像技术被归类为侵入性方法。此外，它们是昂贵的且耗时的，因为每次扫描需要长达。超声也具有有限的适用性，因为许多肿瘤没有足够的回声来提供清晰的实时图像。因此，显然需要开发和整合新的非侵入性成像方法，以帮助神经外科医生在术中实现最佳的肿瘤切除。
　　最近，触觉成像已经成为一种新的医学成像模式，其将触觉传感器获得的触觉转化为数字图像的形式。其测量信息，例如力，温度和振动通过物理触摸任何设备都可以被看作是一个触觉传感器。例如，应力成像是一种触觉成像技术，由于与触觉传感器接触，会在软组织表面产生压力或应力图。特别地，人工触觉感测紧密模拟手动触诊，因为具有力传感器的触觉装置的探针在临床检查期间与人的手指类似地起作用，使用探针使软组织变形并检测应力模式中的所得变化。触觉成像在实际和实验医学中具有广泛的潜在应用，因为许多研究人员报道癌组织比正常组织硬得多。开发了一种原型触觉测绘装置系统，该系统由触觉传感器阵列探头，三维摄像头和力/扭矩传感器组成，可以在乳房触诊期间提供乳房肿块的触觉图。设计了一种微创仪器来测量腹腔内器官的粘弹性。开发了一种用于检测前列腺癌和肥大的活动触诊传感器。拉钩辅助制造了一种新型触觉传感机器人，用于表征临床乳房检查期间乳房组织的机械行为。提出了使用力敏轮式探针在微创手术期间定位组织异常的新方法。提出了一种触觉热机器人，用于触摸脑表面并在神经外科的微创诊断期间测量肿瘤定位的温度。设计了一种新型的低成本触诊探头，用于机器人辅助微创手术，用于定位皮下血管。
　　 这些努力中的大多数是基于临床观察，即肿瘤比周围正常组织硬得多。在脑肿瘤的情况下，也已经证明脑肿瘤比正常的神经组织更硬。表明胶质母细胞瘤可以被建模为弹性材料，其具有嵌入脑组织中的硬度的弹性模量。报道脑膜瘤和正常脑组织的弹性模量分别为同样基于这种行为，本研究提出触觉神经影像作为脑肿瘤手术中的快速，被动和非侵入性方法，以在脑移位的影响下术中定位肿瘤。由于在微创颅内神经外科手术期间暂时取出部分颅骨进行肿瘤切除，可以在脑表面进行触觉成像，以感知由肿瘤和大脑之间的僵硬差异引起的应力变化。该方法有可能克服现有术中成像技术的缺点，例如侵入性和长成像时间，从而降低神经外科手术的发病率。为了研究该方法的可行性，对具有肿瘤的脑模型进行实验和数值分析。对含有模拟脑肿瘤异常的硅胶模型进行实验，并将结果与使用有限元分析的模拟结果进行比较。将大脑和肿瘤组织表征为弹性材料，以描述触觉触诊期间软组织的机械行为。此外，还对由具有脑膜瘤肿瘤的真实患者的磁共振成像数据构建的临床脑模型进行虚拟触觉神经成像，以评估触觉成像对脑外科手术的适用性。得到的触觉数据以图形形式呈现，以证明触觉成像在脑肿瘤的术中检测和定位中的能力。将大脑和肿瘤组织表征为弹性材料，以描述触觉触诊期间软组织的机械行为。
　　 为了研究触觉成像对脑肿瘤术中定位的可行性，开发了使用硅胶模型的实验装置。硅胶模型包含嵌入软基质中的硬质内含物，以模拟脑组织中的肿瘤。选择铂固化有机硅制造两种类型的内含物，代表胶质母细胞瘤和脑膜瘤，而基质由拉钩辅助有机硅制成，模仿脑组织。在制造硅氧烷模型之前，通过进行单轴压缩测试来测量硅树脂材料的机械性能。对于肿瘤和脑组织的每种硅氧烷材料，分别制备三个直径和高度的圆柱形样品。使用具有测力传感器的微测试机，压缩试验的结果。应力-应变图显示了有机硅材料的准线性弹性行为，刚度分别，对应于胶质母细胞瘤和脑膜瘤脑肿瘤的硬度。表示脑组织的聚硅氧烷材料还示出了具有千帕的刚度线性弹性行为。它需要提及的是，真正的大脑组织的硬度大约是千帕;然而，由于硅树脂可调性的限制，制造了刚度为的基体并用于当前项目。
　　 本小节中，介绍了模型模型的实验和数值分析结果。在第一步中，通过比较上的实验的触觉图和使用有限元分析的相应数值模拟来验证实验结果的准确性，该图显示了在检查期间力模在表面上的分布。表面力曲线的峰值清楚地表明了体模中嵌入的异常的存在。此外，力值与相应的有限元分析数据非常一致。来自实验的触觉图像包含两个不同刚度的肿瘤，可以观察到峰值力的水平根据嵌入在触觉点下的肿瘤的刚度而变化。肿瘤硬度从增加到会导致触觉图中感应的最大力从增加到显示的触觉图像的俯视图，而围绕高力区域绘制的矩形表示嵌入的肿瘤的位置，其具有相应的尺寸。显而易见，来自体模实验的触觉数据准确地预测了肿瘤的位置，并且还提供了关于肿瘤的大小和边缘的一些估计信息。显示了来自的触觉图像，其设计用于研究触觉成像对肿瘤深度的敏感性。之间的比较表明当肿瘤在体模内进一步后退时，在组织表面上感测到的相应的力响应减小。用触觉图可以更清楚地看到这一点，这表明当肿瘤深度从增加到时，胶质母细胞瘤的最大感应力从减小到，而脑膜瘤则增加从变为需要提到的是，肿瘤深度的增加也会在肿瘤上方产生更广泛的感知力模式。
　　 在具有与脑肿瘤相当的硬度的模型模型上进行触觉成像并验证触觉成像在脑肿瘤术中定位中的可行性之后，开发了对具有脑膜瘤的临床脑模型的计算分析。为了在术中触觉成像期间模拟来自包含肿瘤的脑的机械响应，在临床脑模型上进行使用有限元分析的虚拟触觉神经成像。关于脑和脑膜瘤肿瘤几何形状的精确信息来源于一名女性患者的磁共振成像数据，该患者在研究机构的研究小组中被转诊给神经外科医生治疗她的脑肿瘤。在德黑兰伊朗伽玛刀中心的成像设施获得有和没有对比的磁共振成像图像数据。观察到大的异质性不明确残留的后部拉钩辅助脑膜瘤伴有周围水肿。为了应用边界条件，将脑模型分为两部分：底部与颅骨接触，顶部开放用于触觉神经影像学。大脑的底部表面被认为是固定在法线方向，而顶部被压缩以模拟触觉神经成像期间脑组织的人工触诊。认为大脑和肿瘤组织结合在一起以使应变值在边界上连续。
　　 为了在保持虚拟触觉神经成像的准确性的同时最小化计算负荷，使用用于脑模型的四种不同元素大小来执行有限元分析模拟，并且使用触觉图来呈现结果。元件尺寸为的应力数据接近，最大误差分别小于。另一方面，与的情况相比，使用的元件尺寸的有限元分析产生的最大误差超过。具有脑膜瘤的脑模型的触觉图像和触觉图。触觉图像表示脑左后区的异常，其中在肿瘤区域附近观察到应力的显着增加。在的触觉图中，显示峰值应力约为周围区域应力的两倍。触觉图中的应力的过冲指示脑膜瘤的术中位置和脑表面上距手术目标最短距离的术中坐标。触觉图还提供关于实时肿瘤边缘的估计信息，并且过冲区域描述了肿瘤与正常组织之间的估计边界。脑肿瘤具有复制癌细胞和侵入周围正常组织的能力。由于脑肿瘤的侵袭性行为，其尺寸和硬度等特征可能在其发展阶段和恶性程度方面有所不同。使用具有不同类型肿瘤的脑模型研究肿瘤特征的影响。触觉数据对肿瘤僵硬度及其大小的敏感性。为了显示肿瘤大小对触觉神经影像学表现的影响，而脑膜瘤的僵硬度固定在;结果正如人们可能容易预料的那样，肿瘤周围高应力区域的大小随着肿瘤大小的减小而减小。然而，中的触觉图表明肿瘤的大小也会影响峰值应力。肿瘤直径从减小到导致峰值应力从减小到。因此，推测通过使用峰周围的峰值应力和应力分布，应该可以识别具有不同特征的肿瘤。
　　在本文中，研究机构对有机硅模型进行了触觉成像实验，并将结果与使用有限元分析的数值模拟结果进行了比较。还对脑肿瘤的临床模型进行了虚拟触觉神经影像模拟，以研究该方法在术中识别和定位脑肿瘤及其边缘的可行性。研究机构以两种不同的方式呈现触觉成像数据：触觉图像和触觉图。触觉图像使用彩色图表示力或应力水平，彩色图可用作神经外科医生的可见数据，以直观地识别脑肿瘤手术期间三维空间中肿瘤的位置。另一方面，触觉图显示了应力分布与脑表面坐标数据的关系;因此，它可以成为机器人辅助脑手术的有用路线图。总之，触觉数据可以提供关于脑表面应力分布的实时术中信息，这可以作为一种术中辅助工具，帮助神经外科医生补偿脑移位的影响，并实现最大肿瘤切除的目标。最不发病率。
　　尽管提出触觉成像作为实现脑肿瘤精确定位的术中方法，但该技术还不具备提供肿瘤特性的详细信息的能力。触觉数据可以仅提供肿瘤边缘的二维位置和估计数据。由于触觉神经影像学仅检查脑表面并且不进入组织内部，因此对肿瘤边缘的精确估计需要将脑表面上的触觉图像与逆算法相结合。但是，触觉图表明触觉神经影像学足够敏感，可以区分肿瘤的大小和僵硬等特征。作为下一步，研究机构计划开发一种基于逆分析的估算算法，以更好地预测大脑表面应力的变化以及肿瘤的大小，深度和刚度等特性，以及二维位置。这些与肿瘤特征相关的术中数据可能通过更新肿瘤边缘的描绘显着促进肿瘤切除的改善。
　　另一方面，可以通过将触觉成像与现有技术相结合来开发新的融合系统，所述技术具有制作解剖图像的能力，以增强术中成像能力。例如，触觉神经成像的结果可以与超声和弹性成像数据相结合，以检查脑肿瘤的特征，包括其三维位置，刚度和大小。通过利用脑表面上关于脑肿瘤的术中位置的触觉数据，可以有效地定位超声探头用于脑内的超声成像，并且可以操纵弹性成像来测量刚度。这些实时数据的组合可以帮助研究机构提高成像过程的分辨率和效率。