CN107468242B - 一种新型基于皮层脑电的功能定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于皮层脑电和同步行为记录的脑功能定位方法：同步采集行为追踪数据和皮层脑电数据；对行为追踪数据进行处理得到行为强度时间序列；对皮层脑电数据进行处理得到脑活动时间序列；计算得到行为强度序列和脑活动序列在不同时间延迟下的相关性；筛选确定重要功能位点。所述方法能够对大脑功能区进行快速可靠的定位，适用于术中唤醒重复测查；且其允许临床医生根据病人的实际情况灵活调整测查所用内容，适用于儿童或认知功能受损的患者。

Description

一种新型基于皮层脑电的功能定位系统

技术领域

本发明涉及神经工程领域，尤其是涉及一种基于皮层脑电和同步行为记录的脑功能定位方法。

背景技术

神经外科手术对于药物难治性癫痫，脑血管疾病以及脑肿瘤等均有较好的治愈效果。但是，当大脑的重要功能区与病灶临近或重合时，其便会受到损毁手术的影响，从而引起功能损伤。大部分术后功能区受损的病人会在3个月内得到恢复，但约有5％的病人会形成永久损伤。因此，如何能准确地对大脑重要的功能区进行定位对手术方案的制定和病人的预后有重要意义。经颅磁刺激和功能核磁成像等技术在手术前就能通过无创的方式对相关皮层功能区进行较好的评估，但其不能取代作为“金标准”的皮层电刺激技术得到的结果，除了由于其各自受技术原理所限而造成的精确度不够之外，还受到其他原因的影响，比如，颅骨打开会造成大脑轻微形变，致使术前功能定位结果无法与书中皮层结构精确配准；另外，开颅手术时，大脑皮层可能会发生急性功能移位现象，造成与术前功能定位显著的差异。

虽然皮层电刺激技术目前仍被作为神经外科手术皮层功能定位的标准操作流程，但其在可靠性、实施效率以及安全性等方面的问题使得研究者们一直在寻求新的替代方案。在此方面，皮层脑电图中反映的40-150赫兹之间的高频伽马活动，因其具有的高时间和空间分辨率和功能特异性而被认为是目前最有前景的替代指标。

本发明旨在提供一种基于皮层脑电和同步行为记录的脑功能定位方法，以便辅助神经外科医生对大脑重要功能区进行快速可靠的定位，为手术规划和术中保护提供依据。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提供一种基于皮层脑电和同步行为记录的脑功能定位方法，以便辅助神经外科医生对大脑重要功能区进行快速可靠的定位，为手术规划和术中保护提供依据。

为实现上述目的，本发明提出一种基于皮层脑电和同步行为记录的脑功能定位方法，包括以下步骤：

步骤1：同步采集行为追踪数据和皮层脑电数据；

步骤2：对行为追踪数据进行处理得到行为强度时间序列；

步骤3：对皮层脑电数据进行处理得到脑活动时间序列；

步骤4：计算得到行为强度序列和脑活动序列在不同时间延迟下的相关性；

步骤5：筛选确定重要功能位点。

本发明的优点：

(1)本发明提出了一种在不依赖刺激-反应实验范式的情况下，利用持续行为追踪与神经信号的相关关系评估相关皮层区域重要性的方法。本方法允许施测人员灵活调整方案以适应不同情况，从而拓宽了其应用范围。

(2)另外，经过试验我们发现，该方法在相对少量数据的基础上，经过短时间的处理就能获得有效结果，使得在手术进行当中的有限时间内可以进行多次重复测量，从而大大提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明基于皮层脑电和同步行为记录的脑功能定位方法的流程图；

图2为两种行为数据处理实例的示意图；

图3为皮层脑电数据处理实例的示意图；

图4为实施例行为数据与皮层脑电数据延时相关计算结果的示意图；

图5为实例使用本方法得到的重复皮层语言功能定位结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的具体实施例如以下说明。

实施例

参照图1，本发明所述的一种基于皮层脑电和同步行为记录的脑功能定位方法，具体实施步骤如下：

步骤1，同步采集行为追踪数据和皮层脑电数据。

步骤1.1行为追踪数据的获取。不同的行为数据应由设备采集，本发明仅以运动功能和言语功能为例进行介绍。运动功能对应的行为数据可表现为相关肢体部位的肌电活动。因此，以两个电极置于相关肢体部位皮肤表面，直接经由脑电放大器放大后所得的差分信号即可提供运动功能的行为指标。言语功能表现为声音产出。因此，将传声器(麦克风)连接至普通PC的声卡，即可实现对言语产出的获取。

步骤1.2同步脑电数据的获取。对于功能定位来说，由于肌电和脑电可经由同一放大器输出，其信号自然同步。而对于言语功能来说，则需要两个设备之间的信号通过事件标记进行同步。具体来讲，在录音开始时，通过PC上的串口发送事件标记至脑电信号放大器，随后在后期处理通过检索事件标记而实现对两种信号的同步。

步骤2，对行为追踪数据进行处理得到行为强度时间序列。同样仅以上文提到的两种行为数据为例进行介绍。肌电数据首先用10—40赫兹带通滤波器滤波，再进行希尔伯特变换而得到幅值，最后以半高宽为1秒的高斯核进行平滑处理。对于录音信号，首先降采样至4000赫兹，用20—2000赫兹的带通滤波器滤波，所得数据以200毫秒为窗长，40毫秒为步长计算均方根，最后仍以半高宽为1秒的高斯核进行平滑处理。

步骤3，对皮层脑电数据进行处理得到脑活动时间序列。对所得皮层脑电数据，首先进行转换参考处理，取平均参考。然后以60—90赫兹带通滤波器滤波，再进行希尔伯特变换而得到幅值，最后同样以半高宽为1秒的高斯核进行平滑处理。

步骤4，计算得到行为强度序列和脑活动序列在不同时间延迟下的相关性。行为结果和脑活动之间可能存在的延迟时间通常十分有限，但考虑到数据预处理时的平滑处理，时间延迟的范围确定为±5秒。将行为强度时间序列和脑活动时间序列分别降采样至100赫兹，在[-5,5]秒的时间延迟范围内，以10毫秒为步长，分别计算每个通道脑活动指标和行为指标的线性相关系数。

步骤5，筛选确定重要功能位点。取每个通道在时间延迟范围内与行为数据相关系数的最大值，若其大于0.22，则判定其为与该功能有关。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选具体的实施例，

若依本发明的构想所作变动，其产生的功能作用，仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种基于皮层脑电和同步行为记录的脑功能定位系统，其特征在于，所述系统操作包括以下步骤：

步骤1，同步采集行为追踪数据和皮层脑电数据；

步骤1.1行为追踪数据的获取；不同的行为数据应由设备采集；运动功能对应的行为数据表现为相关肢体部位的肌电活动；以两个电极置于相关肢体部位皮肤表面，直接经由脑电放大器放大后所得的差分信号即可提供运动功能的行为指标；言语功能表现为声音产出；将传声器连接至普通PC的声卡以实现对言语产出的获取；

步骤1.2同步脑电数据的获取；对于运动功能，肌电和脑电经同一放大器输出，其信号自然同步；在录音开始时，通过PC上的串口发送事件标记至脑电信号放大器，随后在后期处理通过检索事件标记而实现对两种信号的同步；

步骤2，对行为追踪数据进行处理得到行为强度时间序列；肌电数据首先用10—40赫兹带通滤波器滤波，再进行希尔伯特变换而得到幅值，最后以半高宽为1秒的高斯核进行平滑处理；对于录音信号，首先降采样至4000赫兹，用20—2000赫兹的带通滤波器滤波，所得数据以200毫秒为窗长，40毫秒为步长计算均方根，最后仍以半高宽为1秒的高斯核进行平滑处理；

步骤3，对皮层脑电数据进行处理得到脑活动时间序列；对所得皮层脑电数据，首先进行转换参考处理，取平均参考；然后以60—90赫兹带通滤波器滤波，再进行希尔伯特变换而得到幅值，最后同样以半高宽为1秒的高斯核进行平滑处理；

步骤4，计算得到行为强度序列和脑活动序列在不同时间延迟下的相关性；时间延迟的范围确定为±5秒；将行为强度时间序列和脑活动时间序列分别降采样至100赫兹，在[-5,5]秒的时间延迟范围内，以10毫秒为步长，分别计算每个通道脑活动指标和行为指标的线性相关系数；

步骤5，筛选确定重要功能位点；取每个通道在时间延迟范围内与行为数据相关系数的最大值，若其大于0.22，则判定其为与该功能有关。

Images