CN104001266A - 一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法 - Google Patents

一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法 Download PDF

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殷涛
靳静娜
刘志朋
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Abstract

一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，包括：找出初级运动区和运动阈值；测量初级运动区的头皮到脑皮层的距离；测量感兴趣皮层区头皮到脑皮层的距离；测量刺激线圈磁场分布，绘制磁场分布的曲线；确定感兴趣皮层区的刺激量。本发明在确定经颅磁刺激刺激量时将头皮到脑皮层的距离进行了考虑，通过测量初级运动皮层M1的运动阈值和该脑区头皮到脑皮层距离，修正刺激靶点的刺激输出。能精确确定不同皮层为感兴趣皮层区时需要施加的刺激量，有效避免刺激不足和刺激过量，减轻TMS的副作用，充分保证在TMS使用过程中的安全。本发明方法简单、成分低廉，为经颅磁刺激技术在基础研究中刺激量的确定提供了一种方法，为TMS在研究中的应用提供指导。

Description

一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法
技术领域
本发明涉及一种用于脑功能研究的确定经颅磁刺激器刺激量的方法。特别是涉及一种考虑头皮到脑皮层距离的经颅磁刺激器输出刺激量确定的基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法。
背景技术
经颅磁刺激是Barker等人于1985年首先创立的一种针对神经系统的磁刺激方法，相比与神经电刺激等其它神经刺激方式，具有无痛、无损伤、操作简便等优点。它作为一种神经干预技术广泛应用于精神神经性障碍的基础科学研究。其原理是通过线圈输出电磁脉冲，产生感应磁场，作用于大脑并在脑内产生感应电流，从而对刺激靶点或有突触联系的远处皮层产生作用，致大脑神经功能性改变。
在TMS(Transcranial Magnetic Stimulation,中文：经颅磁刺激，简称TMS)的应用中，安全和刺激的有效性是必须要考虑的一个重要问题。尽管TMS被广泛认为是一种安全的诱导皮层活动的方法，但是如果刺激过量会产生一些负面的影响，如：头疼、恶心、甚至癫痫等；而刺激不足会导致刺激效果的不佳。
在以往的使用TMS研究中，对TMS刺激量的确定都依赖于运动阈值，即：使初级运动皮层M1产生运动诱发电位时TMS的最小输出强度，将其作为其他皮层区域的运动阈值。这种方法简单、适用，但是由于头部不同区域头皮到脑皮层的距离并不相同，而磁场强度随距离增加而降低，随距离的减小而增加，因此，对不同的区域使用相同的刺激量进行刺激时，达到大脑皮层的磁场强度差异很大，这种TMS刺激量的确定准确性较差。要对非运动皮层靶点大脑皮层达到预期的刺激效果，必须要考虑头皮到脑皮层的距离，避免使用TMS过程中刺激过量或刺激不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能有效避免刺激不足或刺激过量的基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，包括如下步骤：
1)找出初级运动区M1和运动阈值MT；
2)测量初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1；
3)测量感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI；
4)测量刺激线圈磁场分布，绘制磁场分布的曲线；
5)确定感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj。
步骤1)包括如下过程：
(1)根据脑电国际标准导联10-20系统设置方法，找到Cz导联位置点；
(2)测量左右耳外耳孔连线的距离，取所述连线距离的20％的长度L，将Cz导联位置点左移L长度的距离，左移后的Cz导联位置点即为C3导联位置，代表初级运动皮层区域；
(3)在右手第一骨间背侧肌上放置两个肌电采集电极，两电极相距为1cm，在同侧豌豆骨安放参考电极，用于采集肌电诱发电位MEP；
(4)将经颅磁刺激线圈放置在C3位置，线圈平面与头皮保持相切的方向，并与头部矢状面保持45°角，线圈手柄指向前侧方向，设定TMS输出，观察是否产生了MEP，即：在10次刺激中有5次幅值大于等于50uV；
(5)设置经颅磁刺激器的输出为单脉冲输出方式，刺激量从经颅磁刺激器最大输出的30％开始增加，步进为5％，当观察到MEP时，将经颅刺激器输出减小，步进为1％，进行寻找阈值的微调，得出能产生MEP的最小输出，即运动阈值MT；
(6)当经颅磁刺激器输出达到最大输出的90％时，仍没有观察到运动诱发电位MEP，则在Cz导联位置点周围微移线圈，然后重复过程(5)，直到观察到MEP，此时的刺激位置为初级运动区M1,刺激输出为MT；
(7)在头部对M1区位置进行标记。
步骤2)所述的测量初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1，是采用A超诊断仪进行测量，发射频率为1MHz。
步骤3)所述的测量感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，是采用A超诊断仪进行测量，发射频率为1MHz。
步骤4)所述的测量刺激线圈磁场分布，是将经颅磁刺激器的刺激线圈放置在空气中，使用磁通计对所述刺激线圈的磁场分布进行测量，经颅磁刺激器的输出为20-100％，步进为5％，测量范围为距离垂直线圈平面0-3cm高度，步进为0.05cm，采用曲线拟合绘制磁场分布的曲线。
步骤5)所述的确定感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj，包括：
(1)根据步骤1)得到的运动阈值MT和步骤2)获得的初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1，由磁场分布曲线，获得在距离DM1处时的磁场强度B；
(2)根据步骤3)获得的感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，在磁场分布曲线上查询当磁场强度为B、距离为DROI时的刺激量区间，通过插值的方法确定ROI区的刺激量MTAdj。
所述的通过插值的方法确定ROI区的刺激量MTAdj，是通过测得的运动阈值MT、初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1、感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，结合刺激线圈磁场的分布，确定ROI的运动阈值MTAdj，如图4所示，具体包括如下过程：
(1)根据初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1和运动阈值MT，确定大脑运动皮层磁场大小BMT；
(2)根据大脑运动皮层磁场的大小BMT和感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，确定ROI区的运动阈值MTAdj。
过程(1)所述的确定大脑运动皮层磁场大小BMT，包括：
(a)根据确定的运动阈值MT和磁场分布曲线，确定运动阈值MT所在的区间为[T1,T2]；
(b)根据磁场分布曲线确定分别以T1值和T2值进行刺激输出时，在初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1中对应的磁场强度为B1和B2；
(c)采用差值的方法计算大脑运动皮层磁场的大小BMT，计算公式为：
(B2-B1)/(B2-BMT)＝(T2-T1)/(T2-MT)
其中：B2为刺激输出为T2，距离为DM1时的磁场强度，B1为刺激输出为T1，距离为DM1时的磁场强度，T1、T2分别为运动阈值MT在磁场分布曲线上所在的区间。
过程(2)所述的确定感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj，包括：
(a)确定感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI与大脑运动皮层磁场的大小BMT的交点；
(b)确定过程(a)确定的交点所在的刺激输出曲线区间为[T3,T4]；
(c)确定刺激输出曲线为T3和T4，磁场大小为大脑运动皮层磁场的大小BMT时的距离，分别为DT3、DT4；
(d)采用差值的方法计算大脑感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj，计算公式为：
(DT4-DT3)/(DT4-DROI)＝(T4-T3)/(T4-MTAdj)
其中：DT4是刺激输出为T4、磁场强度为BMT时的距离，DT3是刺激输出为T3，磁场强度为大脑运动皮层磁场的大小BMT时的距离，T3，T4分别为磁场强度为大脑运动皮层磁场的大小BMT，距离为感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI时，刺激输出所在的区间。
本发明的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，在确定经颅磁刺激刺激量时将头皮到脑皮层的距离进行了考虑，通过测量初级运动皮层M1的运动阈值和该脑区头皮到脑皮层距离，修正刺激靶点的刺激输出。能精确确定不同皮层为ROI区时需要施加的刺激量，能够使TMS刺激量更精确，有效避免刺激不足和刺激过量，减轻TMS的副作用，且保证其刺激效果，充分保证在TMS使用过程中的安全。本发明的方法简单、成分低廉，为经颅磁刺激技术在基础研究中刺激量的确定提供了一种方法，为TMS在研究中的应用提供指导。
附图说明
图1是本发明基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法的流程图；
图2是本发明方法中运动阈值MT的测量流程图；
图3本发明使用线圈坐标定义示意图；
图4是本发明方法中刺激线圈磁场分布的测量图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法做出详细说明。
本发明的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，是依据经颅磁刺激的磁场随头皮到脑皮质距离的增加而衰减，而不同脑区头皮到脑皮质距离差异较大，采用先刺激运动区来确定经颅磁刺激的刺激输出的方法来刺激其他脑区存在一定的误差，因此，考虑头皮到脑皮质距离来进行刺激输出强度能优化刺激效果，使刺激的准确性增加，避免刺激不足和过刺激现象的发生。
本发明的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，包括如下步骤：
1)找出初级运动区M1和运动阈值MT，包括如下过程：
(1)根据脑电国际标准导联10-20系统设置方法，找到Cz导联位置点，具体方法为：选取四个特征点，包括鼻根、枕骨隆突、左耳外耳孔和右耳外耳孔，鼻根和枕骨隆突的连线与左右耳外耳孔的连线的交点即为Cz位置点。
(2)测量左右耳外耳孔连线的距离，取所述连线距离的20％的长度L，将Cz导联位置点左移L长度的距离，左移后的Cz导联位置点即为C3导联位置，代表初级运动皮层区域；
(3)在右手第一骨间背侧肌上放置两个肌电采集电极，两电极相距为1cm，在同侧豌豆骨安放参考电极，用于采集肌电诱发电位MEP；
(4)将经颅磁刺激线圈放置在C3位置，线圈平面与头皮保持相切的方向，并与头部矢状面保持45°角，线圈手柄指向前侧方向，设定TMS(motor evoked potential)输出，观察是否产生了MEP，即：在10次刺激中有5次幅值大于等于50uV；
(5)设置经颅磁刺激器的输出为单脉冲输出方式，刺激量从经颅磁刺激器最大输出的30％开始增加，步进为5％，当观察到MEP时，将经颅刺激器输出减小，步进为1％，进行寻找阈值的微调，得出能产生MEP的最小输出，即运动阈值MT；
(6)当经颅磁刺激器输出达到最大输出的90％时，仍没有观察到运动诱发电位MEP，则在Cz导联位置点周围微移线圈，然后重复过程(5)，直到观察到MEP，此时的刺激位置为初级运动区M1,刺激输出为MT；
(7)在头部对M1区位置进行标记。
2)测量初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1，
所述的测量初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1，是采用A超诊断仪进行测量，发射频率为1MHz。具体为：将A超诊断仪的探头放置在M1区，A超的发射频率为1MHz，进行波形输出，由波形获得头皮到脑皮层之间的距离DM1。
3)测量感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，
所述的测量感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，是采用A超诊断仪进行测量，发射频率为1MHz。具体为：将A超诊断仪的探头放置在ROI区，A超的发射频率为1MHz，进行波形输出，由波形获得头皮到脑皮层之间的距离DROI。其中ROI区依据具体的试验目的进行选取，如：试验测量TMS刺激视觉皮层，测试结果，则选定视觉皮层为ROI区；如果针对有注意力缺陷的研究，则掌控注意力的脑区即额叶为ROI区。
4)测量刺激线圈磁场分布，绘制磁场分布的曲线，
所述的测量刺激线圈磁场分布，是将经颅磁刺激器的刺激线圈放置在空气中，使用磁通计测量磁场强度，并用示波器显示，使用磁通计对所述刺激线圈的磁场分布进行测量，经颅磁刺激器的输出为20-100％，步进为5％，测量范围为距离垂直线圈平面0-3cm高度，步进为0.05cm，采用曲线拟合绘制磁场分布的曲线。具体以八字线圈为例，包括坐标的定义，如图3所示，将八字线圈平面的长轴方向定义为x轴，短轴方向定义为y轴，垂直于线圈平面的方向定义为z轴。测量过程如下：
(1)将磁通计探头垂直放置在线圈原点的位置；
(2)设置TMS为单脉冲刺激方式，强度为最大输出的30％；
(3)进行一次单脉冲输出，记录示波器显示的电压值；
(4)判断TMS输出是否达到了100％，如果否，以5％的步进增加TMS输出，返回过程(3)，如果是，进入过程(5)；
(5)判断磁通计探头的位置距离线圈是否为3cm，如果否，以0.05cm的步进调整磁通计探头距原点的距离，如果是，则结束测量；
(6)将TMS不同输出强度、不同位置上记录的电压值V转换成磁场强度值B，转换公式为：B＝(3/2.5)*V；
(7)采用曲线拟合的方式绘制磁场分布的曲线。
5)确定感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj，
所述的确定感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj，包括：
(1)根据步骤1)得到的运动阈值MT和步骤2)获得的初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1，由磁场分布曲线，获得在距离DM1处时的磁场强度B；
(2)根据步骤3)获得的感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，在磁场分布曲线上查询当磁场强度为B、距离为DROI时的刺激量区间，通过插值的方法确定ROI区的刺激量MTAdj。
所述的通过插值的方法确定ROI区的刺激量MTAdj，是通过测得的运动阈值MT、初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1、感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，结合刺激线圈磁场的分布，确定ROI的运动阈值MTAdj，如图4所示，具体包括如下过程：
(1)根据初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1和运动阈值MT，确定大脑运动皮层磁场大小BMT，
所述的确定大脑运动皮层磁场大小BMT，以图4为例，包括：
(a)根据确定的运动阈值MT和磁场分布曲线，确定运动阈值MT所在的区间为[T1,T2]；
(b)根据磁场分布曲线确定分别以T1值和T2值进行刺激输出时，在初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1中对应的磁场强度为B1和B2；
(c)采用差值的方法计算大脑运动皮层磁场的大小BMT，计算公式为：
(B2-B1)/(B2-BMT)＝(T2-T1)/(T2-MT)
其中：B2为刺激输出为T2，距离为DM1时的磁场强度，B1为刺激输出为T1，距离为DM1时的磁场强度，T1、T2分别为运动阈值MT在磁场分布曲线上所在的区间。
(2)根据大脑运动皮层磁场的大小BMT和感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，确定ROI区的运动阈值MTAdj，
所述的确定感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj，以图4为例，包括：
(a)确定感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI与大脑运动皮层磁场的大小BMT的交点；
(b)确定过程(a)确定的交点所在的刺激输出曲线区间为[T3,T4]；
(c)确定刺激输出曲线为T3和T4，磁场大小为大脑运动皮层磁场的大小BMT时的距离，分别为DT3、DT4；
(d)采用差值的方法计算大脑感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj，计算公式为：
(DT4-DT3)/(DT4-DROI)＝(T4-T3)/(T4-MTAdj)
其中：DT4是刺激输出为T4、磁场强度为BMT时的距离，DT3是刺激输出为T3，磁场强度为大脑运动皮层磁场的大小BMT时的距离，T3，T4分别为磁场强度为大脑运动皮层磁场的大小BMT，距离为感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI时，刺激输出所在的区间。
本发明的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，对头皮到脑皮层的距离进行了考虑，针对感兴趣区ROI的不同，确定刺激量，能有效避免刺激不足和刺激过量，进一步保证了经颅磁刺激在使用中的安全性，为经颅磁刺激刺激量的确定提供了一定的指导。

Claims (9)

1.一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)找出初级运动区M1和运动阈值MT；
2)测量初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1；
3)测量感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI；
4)测量刺激线圈磁场分布，绘制磁场分布的曲线；
5)确定感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj。
2.根据权利要求1所述的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，其特征在于，步骤1)包括如下过程：
(1)根据脑电国际标准导联10-20系统设置方法，找到Cz导联位置点；
(2)测量左右耳外耳孔连线的距离，取所述连线距离的20％的长度L，将Cz导联位置点左移L长度的距离，左移后的Cz导联位置点即为C3导联位置，代表初级运动皮层区域；
(3)在右手第一骨间背侧肌上放置两个肌电采集电极，两电极相距为1cm，在同侧豌豆骨安放参考电极，用于采集肌电诱发电位MEP；
(4)将经颅磁刺激线圈放置在C3位置，线圈平面与头皮保持相切的方向，并与头部矢状面保持45°角，线圈手柄指向前侧方向，设定TMS输出，观察是否产生了MEP，即：在10次刺激中有5次幅值大于等于50uV；
(5)设置经颅磁刺激器的输出为单脉冲输出方式，刺激量从经颅磁刺激器最大输出的30％开始增加，步进为5％，当观察到MEP时，将经颅刺激器输出减小，步进为1％，进行寻找阈值的微调，得出能产生MEP的最小输出，即运动阈值MT；
(6)当经颅磁刺激器输出达到最大输出的90％时，仍没有观察到运动诱发电位MEP，则在Cz导联位置点周围微移线圈，然后重复过程(5)，直到观察到MEP，此时的刺激位置为初级运动区M1,刺激输出为MT；
(7)在头部对M1区位置进行标记。
3.根据权利要求1所述的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，其特征在于，步骤2)所述的测量初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1，是采用A超诊断仪进行测量，发射频率为1MHz。
4.根据权利要求1所述的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，其特征在于，步骤3)所述的测量感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，是采用A超诊断仪进行测量，发射频率为1MHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，其特征在于，步骤4)所述的测量刺激线圈磁场分布，是将经颅磁刺激器的刺激线圈放置在空气中，使用磁通计对所述刺激线圈的磁场分布进行测量，经颅磁刺激器的输出为20-100％，步进为5％，测量范围为距离垂直线圈平面0-3cm高度，步进为0.05cm，采用曲线拟合绘制磁场分布的曲线。
6.根据权利要求1所述的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，其特征在于，步骤5)所述的确定感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj，包括：
(1)根据步骤1)得到的运动阈值MT和步骤2)获得的初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1，由磁场分布曲线，获得在距离DM1处时的磁场强度B；
(2)根据步骤3)获得的感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，在磁场分布曲线上查询当磁场强度为B、距离为DROI时的刺激量区间，通过插值的方法确定ROI区的刺激量MTAdj。
7.根据权利要求6所述的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，其特征在于，所述的通过插值的方法确定ROI区的刺激量MTAdj，是通过测得的运动阈值MT、初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1、感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，结合刺激线圈磁场的分布，确定ROI的运动阈值MTAdj，如图4所示，具体包括如下过程：
(1)根据初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1和运动阈值MT，确定大脑运动皮层磁场大小BMT；
(2)根据大脑运动皮层磁场的大小BMT和感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI，确定ROI区的运动阈值MTAdj。
8.根据权利要求7所述的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，其特征在于，过程(1)所述的确定大脑运动皮层磁场大小BMT，包括：
(a)根据确定的运动阈值MT和磁场分布曲线，确定运动阈值MT所在的区间为[T1,T2]；
(b)根据磁场分布曲线确定分别以T1值和T2值进行刺激输出时，在初级运动区M1的头皮到脑皮层的距离DM1中对应的磁场强度为B1和B2；
(c)采用差值的方法计算大脑运动皮层磁场的大小BMT，计算公式为：
(B2-B1)/(B2-BMT)＝(T2-T1)/(T2-MT)
其中：B2为刺激输出为T2，距离为DM1时的磁场强度，B1为刺激输出为T1，距离为DM1时的磁场强度，T1、T2分别为运动阈值MT在磁场分布曲线上所在的区间。
9.根据权利要求7所述的一种基于距离测量确定经颅磁刺激刺激量的方法，其特征在于，过程(2)所述的确定感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj，包括：
(a)确定感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI与大脑运动皮层磁场的大小BMT的交点；
(b)确定过程(a)确定的交点所在的刺激输出曲线区间为[T3,T4]；
(c)确定刺激输出曲线为T3和T4，磁场大小为大脑运动皮层磁场的大小BMT时的距离，分别为DT3、DT4；
(d)采用差值的方法计算大脑感兴趣皮层区ROI的刺激量MTAdj，计算公式为：
(DT4-DT3)/(DT4-DROI)＝(T4-T3)/(T4-MTAdj)
其中：DT4是刺激输出为T4、磁场强度为BMT时的距离，DT3是刺激输出为T3，磁场强度为大脑运动皮层磁场的大小BMT时的距离，T3，T4分别为磁场强度为大脑运动皮层磁场的大小BMT，距离为感兴趣皮层区ROI头皮到脑皮层的距离DROI时，刺激输出所在的区间。
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