CN102048536A - 基于头外空间磁场重构的脑磁源定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于头外空间磁场重构的脑磁源定位方法。该方法基于大脑内部神经元活动在头外空间产生相应磁场，通过磁场测量传感器测量头外部表层法向磁通密度分布；以外部表层法向磁通密度为边界条件重构出头外空间的三维脑磁场分布；联合头外部表层测量所得脑磁场法向磁通密度数据与重构所得头外空间的三维脑磁场分布的相对头皮的法向磁通密度数据，对脑内活动神经元，即脑磁源，的空间位置、姿态与强度参数进行逆向求解，实现脑磁源定位。与传统的脑磁源定位方法相比，该方法通过头外空间磁场重构使脑内神经元活动逆向求解时的样本点大大增加，并利用磁场重构对测量噪声的滤波作用使样本群的有效信息含量提高，使脑磁源定位具有更高精度。

Description

基于头外空间磁场重构的脑磁源定位方法
技术领域
本发明涉及应用于脑磁源定位的方法，尤其涉及一种基于头外空间磁场重构的脑磁源定位方法。
背景技术
大脑皮层中的神经元细胞活动时，会有微弱的电流在神经系统中产生。当一定数量的神经元同步活动产生的电流达到一定程度时，就可以利用测量仪器检测到其激发出的微弱磁场信号。脑磁源定位就是利用测量所得头外脑磁信号来定位脑内神经活动源的一项前沿技术。高精度的脑磁源定位具有非常重要的意义，它可为准确的医学病灶定位、脑功能研究等提供有力的技术支撑。由于大脑内部神经元活动产生的脑磁场信号非常微弱，约为地球磁场的亿万分之一（约为100fT），测量所得脑磁场数据往往夹杂有大量的环境噪声，目前采用的脑磁源定位方法是用磁场测量传感器测量头外部表层脑磁场法向磁通密度，结合脑磁源非线性反解优化算法实现的，这样所得的脑磁源定位精度往往不尽如人意。根据概率论统计理论可知，进行脑内神经元活动逆向求解时的样本点，即已知头外部脑磁场分布的有效信息量，决定了脑磁源定位精度，即获取的头外部脑磁场有效信息越多则反解所得的脑磁源具有更高的定位精度。现有提高脑磁源定位精度的方法主要是通过增加测量传感器的测量通道数，以此获得更多的头外部表层脑磁场分布数据，增大脑磁源定位的非线性反解所需的样本信息量，从而获得高精度的脑磁源定位信息。然而，头部表层面积是有限，同时测量传感器不可能无限小，因此靠这种方法大规模地提高测量数据量是不可能。同时测量传感器测量通道数的增多使得测量仪器设备和脑磁信号处理设备的成本大大提高，如何高精度、高效、便捷地获得含有更多有效信息的头外脑磁场分布信息，实现脑磁源的高精度定位一直是国内外学者研究的热点。
发明内容
为了获得具有更高空间分辨率和定位精度的脑磁源信息，本发明提供了一种基于头外空间磁场重构的脑磁源定位方法，对脑磁信号源的定位方法进行了研究，为高精度、高效、便捷地进行脑磁源定位提供了一种有效的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：
1）基于大脑内部神经元活动在头外空间产生相应磁场，通过磁场测量传感器测量头外部表层法向磁通密度分布；
2）以头外部表层法向磁通密度为边界条件重构出头外空间的三维脑磁场分布；
3）联合头外部表层测量所得脑磁场法向磁通密度数据与重构所得头外空间的三维脑磁场分布相对头皮的法向磁通密度数据，对脑内活动神经元，即脑磁源，的空间位置、姿态与强度参数进行逆向求解，实现脑磁源定位。
所述步骤1）中磁场测量传感器测量头外部表层法向磁通密度分布，是利用不含导磁材料的磁场测量传感器测量头外部表层法向磁通密度分布，以保证头外空间磁场的无旋特性。
所述步骤2）中头外空间的三维脑磁场分布的重构，是基于头外空间磁场的无旋特性，以标量磁势拉普拉斯方程描述该部分空间磁场，以磁场测量传感器测量所得头外部表层法向磁通密度分布为边界条件求解该拉普拉斯方程，从而重构出头外空间的三维脑磁场分布，所需重构的头外空间磁场位置点的选取以所在位置处信噪比为判定依据。
所述步骤3）中脑内活动神经元，即脑磁源，采用电偶极子模型进行参数化描述，以电偶极子三维空间位置坐标、三维空间指向及偶极矩强度共7个参数描述脑磁源定位信息，基于非线性迭代优化算法逆向求解电偶极子参数，使参数计算所得的头外部表层脑磁场法向磁通密度分布及头外空间脑磁场分布与实际测量、重构所得数据误差最小，优化所得电偶极子参数即为脑磁源定位信息。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
利用个数有限的测量传感器所得头外部表层脑磁场法向磁通密度数据，重构出头外空间的三维脑磁场分布，联合头外部表层测量所得脑磁场法向磁通密度数据与重构所得头外空间脑磁场分布数据，对脑内活动神经元的空间位置、姿态与强度参数进行逆向求解，实现脑磁源高精度定位，为脑磁源定位提供了一种高精度、高效、便捷的方法。
附图说明
图1是本发明的头球模型下电偶极子磁场分布示意图。
图2是本发明的头外部表层脑磁场测量示意图。
图3是本发明的头外空间磁场重构区域及其边界示意图。
图4是本发明的用于脑磁源定位的头外空间磁场位置点示意图。
图5是本发明的基于头外空间磁场重构的脑磁源定位流程图。
图中：1.电偶极子，2.电偶极子激发的磁场，3. 球对称导体模型，4.不含导磁材料的磁场测量传感器，5.头外部表层脑磁场信息已知边界，6.头外部表层脑磁场信息未知边界，7.头外部脑磁场重构远场边界，8.脑磁场重构空间，9.脑磁源定位所需头外空间磁场位置点，
Figure 2011100242990100002DEST_PATH_IMAGE002
.测量所得头外部表层脑磁场信息，
Figure 2011100242990100002DEST_PATH_IMAGE004
.头外空间脑磁场重构，
Figure 2011100242990100002DEST_PATH_IMAGE006
.脑磁源定位所需头外空间磁场位置点选取，
Figure 2011100242990100002DEST_PATH_IMAGE008
.重构所得头用于脑磁源定位的头外空间脑磁场信息，
Figure 2011100242990100002DEST_PATH_IMAGE010
.头外表层测量点及头外空间重构点脑磁场分布的计算值，
Figure 2011100242990100002DEST_PATH_IMAGE012
.目标函数，
Figure 2011100242990100002DEST_PATH_IMAGE014
.脑磁源参数，⑧.脑磁源定位信息。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
基于大脑内部神经元活动在头外空间产生相应磁场，通过磁场测量传感器测量头外部表层法向磁通密度分布；以头外部表层法向磁通密度为边界条件重构出头外空间的三维脑磁场分布；联合头外部表层测量所得脑磁场法向磁通密度数据与重构所得头外空间的三维脑磁场分布相对头皮的法向磁通密度数据，对脑内活动神经元，即脑磁源，的空间位置、姿态与强度参数进行逆向求解，实现脑磁源定位。
本发明的工作原理如下：
将头部简化为球对称导体模型3，采用电偶极子1对脑磁源进行参数化描述的模型P如下：
P=F (x0, y0, z0, xori0, yori0, zori0,Q)
其中F——以x0、y0、z0 、xori0、yori0、zori0为自变量的函数；
x0、y0、z0——电偶极子1的空间位置坐标参数；
xori0、yori0、zori0——电偶极子1的姿态参数；
Q——电偶极子1的偶极矩强度参数。
如图1、图5所示，脑磁源等效模型电偶极子1周围会有微弱的电偶极子激发的磁场2，该磁场的空间分布由电偶极子的空间位置、姿态与强度参数决定。如图2所示，由不含导磁材料的磁场测量传感器4测量所得头外部表层脑磁场信息
Figure 853954DEST_PATH_IMAGE002
，以此为边界条件进行头外空间脑磁场重构②。如图4所示，脑磁源定位所需头外空间磁场位置点9的选取，即脑磁源定位所需头外空间磁场位置点选取③是以所在位置处信噪比为判定依据进行的，从而获得重构所得头用于脑磁源定位的头外空间脑磁场信息④。以头外部表层测量点及头外空间重构点脑磁场分布的计算值⑤与测量所得头外部表层脑磁场信息
Figure 646461DEST_PATH_IMAGE002
与重构所得头用于脑磁源定位的头外空间脑磁场信息④之间的误差为优化目标，构造目标函数⑥，对目标函数⑥通过常规的非线性迭代优化算法进行非线性最小优化，具体优化过程如下：基于电偶极子的参数化模型反复调整脑磁源参数进行脑磁场正计算，获得相应的头外部表层测量点及头外空间重构点脑磁场分布的计算值，基于优化准则，使得目标函数⑥最小的脑磁源参数即为脑磁源定位信息⑧。
头外空间脑磁场重构原理如下：
如图3所示，基于头外部脑磁场重构空间8的无旋特性，以标量磁势U的拉普拉斯方程描述该部分空间磁场，如下：
∆U2 = 0
基于以下边界条件求解拉普拉斯方程，获得脑磁场重构空间8的三维脑磁场分布。边界条件设定具体如下：
(1)头外部表层脑磁场信息已知边界5为第二类边界条件，设定该边界上标量磁势的法向导数为头外部表层测量脑磁场信息①；
(2)头外部表层脑磁场信息未知边界6为第二类边界条件，设定标量磁势在该边界上的法向导数为0；
(3)头外部脑磁场重构远场边界7为第一类边界条件，设定该边界上标量磁势为0。
由于重构对测量边界夹杂的噪声有滤波效果，故重构所得头用于脑磁源定位的头外空间脑磁场信息④具有更好的信噪比。根据概率论统计的相关知识可知，已知头外脑磁场信息越多则目标函数⑥进行非线性最小优化所得的脑磁源电偶极子1的各项参数就越接近真实的脑磁源电偶极子1的各项参数，因此重构所得头用于脑磁源定位的头外空间脑磁场信息④的获得使得脑磁源定位反解所需的样本数增加。重构信息的获得以及重构信息点信噪比的改善都使得用于脑磁源定位的样本群有效信息含量增加，故而可实现脑磁源高精度定位。

Claims (4)

1. 一种基于头外空间磁场重构的脑磁源定位方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1）基于大脑内部神经元活动在头外空间产生相应磁场，通过磁场测量传感器测量头外部表层法向磁通密度分布；
2）以头外部表层法向磁通密度为边界条件重构出头外空间的三维脑磁场分布；
3）联合头外部表层测量所得脑磁场法向磁通密度数据与重构所得头外空间的三维脑磁场分布相对头皮的法向磁通密度数据，对脑内活动神经元，即脑磁源，的空间位置、姿态与强度参数进行逆向求解，实现脑磁源定位。
2. 根据权利要求1所述的一种基于头外空间磁场重构的脑磁源定位方法，其特征在于：所述步骤1）中磁场测量传感器测量头外部表层法向磁通密度分布，是利用不含导磁材料的磁场测量传感器测量头外部表层法向磁通密度分布，以保证头外空间磁场的无旋特性。
3. 根据权利要求1所述的一种基于头外空间磁场重构的脑磁源定位方法，其特征在于：所述步骤2）中头外空间的三维脑磁场分布的重构，是基于头外空间磁场的无旋特性，以标量磁势拉普拉斯方程描述该部分空间磁场，以磁场测量传感器测量所得头外部表层法向磁通密度分布为边界条件求解该拉普拉斯方程，从而重构出头外空间的三维脑磁场分布，所需重构的头外空间磁场位置点的选取以所在位置处信噪比为判定依据。
4. 根据权利要求1所述的一种基于头外空间磁场重构的脑磁源定位方法，其特征在于：所述步骤3）中脑内活动神经元，即脑磁源，采用电偶极子模型进行参数化描述，以电偶极子三维空间位置坐标、三维空间指向及偶极矩强度共7个参数描述脑磁源定位信息，基于非线性迭代优化算法逆向求解电偶极子参数，使参数计算所得的头外部表层脑磁场法向磁通密度分布及头外空间脑磁场分布与实际测量、重构所得数据误差最小，优化所得电偶极子参数即为脑磁源定位信息。
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