CN109568795A - 基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法 - Google Patents

基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法 Download PDF

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Abstract

一种基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法，从脑电溯源和线性相关的角度提出定位脑深部磁刺激靶点的新思路和新方法，通过脑电溯源获得脑深部组织各偶极子的电流强度以及各偶极子的三维坐标，并计算每导头皮脑电与脑深部组织偶极子的相关性，选择相关性最强的头皮电极作为脑深部磁刺激靶点的位置。本发明的靶点定位方法将使得脑深部磁刺激更加准确和有效，有利于脑深部组织的磁刺激干预和调节，在脑科学研究中具有重要意义。

Description

基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法
技术领域
本发明涉及一种脑深部磁刺激靶点定位方法。特别是涉及一种基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法。
背景技术
经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)是一种非侵入式的神经刺激技术，广泛应用于脑科学研究。该技术利用脉冲电流产生的变化磁场作用于脑组织进而产生感应电场，当脑组织区域内感应电场达到或超过一定阈值时，可以激活或者抑制该区域神经活性。
经颅磁刺激的作用靶点位于头皮处，通常根据目标刺激皮层在头皮上选取距离目标刺激皮层最近的位置，同时，为便于定位刺激靶点，通常以头皮脑电电极位置作为参考，如刺激运动皮质时选取C3电极附近作为刺激靶点，刺激顶叶皮质时选择P3电极附近作为刺激靶点。对于浅层皮质(头皮下1-2cm深)而言，这一方法通常能取得较好的效果，且简单易操作，而对于大脑深部组织(深度大于3cm)而言，这一方法通常会产生较大误差。由于深部组织与头皮各电极的距离差异不大，很难准确找出与深部组织直接关联的头皮电极，且往往存在一定程度的主观性，精确靶点定位仍然是脑深部磁刺激的难点。
头皮记录的脑电是大脑中众多神经元的电活动在记录点叠加起来的结果，脑电溯源则是根据头皮脑电反演估计脑内神经活动源的位置、方向和强度信息。在脑电溯源过程中，偶极子模型是最基本的脑电源模型，据此模型，脑电溯源就转化为脑内电流偶极子的定位问题。目前，常用的脑电溯源方法包括多信号分类算法(multi-signal classification,MUSIC)、独立分量分析(independent component analysis,ICA)、低分辨率层析成像算法(low resolution electromagnetic tomography algorithm,LORETA)等非线性算法。其中，LORETA方法是基于脑电源的离散分布模型得到的一个加权最小范数解，在求解偶极子分布问题中最具代表性。
脑电溯源在脑科学研究中通常是用于寻找头皮脑电的脑内信号源，以解读脑内信息流向、确立脑功能区、探索信息加工机制等。脑电溯源除了能得到脑内信号源以外，还能获得脑深部组织各偶极子的电流强度以及各偶极子的坐标，本发明拟计算头皮脑电与脑深部组织偶极子的相关性，选择相关性最强的头皮电极作为脑深部磁刺激靶点的位置，为脑深部磁刺激靶点定位提供新的思路和方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种使得脑深部磁刺激更加准确和有效的基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法，包括如下步骤：
1)利用脑电采集设备记录N个导联的头皮脑电信号，N>＝64，且N个导联均匀分布在头皮，呈球对称，记录时长大于30s，每个导联的头皮脑电信号的数据长度为n，第j个导联的头皮脑电信号的第k个数据点表示为Yjk，其中，j＝1,2,……,N，k＝1,2,……,n；
2)将头皮脑电信号等效为脑内均匀分布的L个偶极子产生的电流强度的映射和叠加，每个偶极子的电流数据长度与头皮脑电的数据长度相等为n，根据头皮脑电信号采用低分辨率层析成像方法进行脑电逆问题求解，得到脑内各偶极子的电流强度Z的加权最小范数解，脑内第l个偶极子第k个数据点的电流强度表示为Zlk，其中，l＝1,2,……,L，k＝1,2,……,n，L>＝N；
3)根据偶极子的三维坐标从脑内L个偶极子中分离出M个属于脑深部组织的偶极子，每个属于脑深部组织的偶极子的电流数据长度为n，脑深部组织第i个偶极子第k个数据点的电流强度表示为Xik，其中，i＝1,2,……,M，k＝1,2,……,n，M<L；
4)分别计算每个导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关性，首先计算每个导联的头皮脑电信号与M个属于脑深部组织的偶极子的电流强度的相关系数，第j导联的头皮脑电信号与第i个偶极子电流强度的相关系数表示为rij，
式中，表示第i个脑深部组织的偶极子n个数据点的电流强度的均值，表示第j导联的头皮脑电信号n个数据点的均值，然后计算每个导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关系数，具体是对每个导联的头皮脑电信号与脑深部组织中所有偶极子电流强度的相关系数求和，第j导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关系数记为Rj，
5)分别比较N个导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关系数大小，相关系数最大的导联标号记为J，满足RJ＝max(Rj)，把第J个导联所在的位置确定为脑深部磁刺激的靶点位置。
步骤2)所述的采用低分辨率层析成像方法进行脑电逆问题求解，首先是根据公式Y＝KZ建立头皮脑电电信与脑内偶极子的关系，式中Y是采集到的头皮脑电电信，Z是脑内偶极子的电流强度，K为非线性传递矩阵，然后是根据公式
Z＝(WBTBW)-1KT{K(WBTBW)-1KT}+Y
求解脑内偶极子电流强度Z的加权最小范数解，其中B为拉普拉斯算子，W＝||K||，T表示矩阵的转置，-1表示矩阵的逆，+表示矩阵的广义逆。
步骤3)所述的根据偶极子的三维坐标从脑内L个偶极子中分离出M个属于脑深部组织的偶极子，首先是以大脑中心为坐标原点，计算以坐标原点为球心、半径为2cm的球体表面的三维坐标值，作为脑深部组织的最大坐标值，分别将脑内L个偶极子的三维坐标值与脑深部组织的最大坐标值进行比较，若所述偶极子的三维坐标值小于或等于脑深部组织的最大坐标值，则认为该偶极子属于脑深部组织的偶极子，若所述偶极子的三维坐标值大于脑深部组织的最大坐标值，则认为该偶极子不属于脑深部组织的偶极子。
本发明的基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法，从脑电溯源和线性相关的角度提出定位脑深部磁刺激靶点的新思路和新方法，通过脑电溯源获得脑深部组织各偶极子的电流强度以及各偶极子的三维坐标，并计算每导头皮脑电与脑深部组织偶极子的相关性，选择相关性最强的头皮电极作为脑深部磁刺激靶点的位置。本发明的靶点定位方法将使得脑深部磁刺激更加准确和有效，有利于脑深部组织的磁刺激干预和调节，在脑科学研究中具有重要意义。
附图说明
图1是本发基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法的明流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法做出详细说明。
本发明的基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法，首先采集全导联头皮脑电信号；其次通过脑电溯源获得脑深部组织各偶极子的电流强度以及各偶极子的三维坐标，并计算每导头皮脑电与脑深部组织偶极子的相关性，选择相关性最强的头皮电极作为脑深部磁刺激靶点的位置。
头皮脑电是大脑中众多神经元的电活动在记录点叠加起来的结果，脑电溯源则是根据头皮脑电反演估计脑内神经活动源的位置、方向和强度信息。在脑电溯源中，偶极子模型是最基本的脑电源模型，低分辨率层析成像算法(low resolution electromagnetictomography algorithm,LORETA)是基于脑电源的离散分布模型得到的一个加权最小范数解，在求解偶极子分布问题中最具代表性。下面以LOERTA为例进行本发明的实施说明。
如图1所示，本发明的基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法，包括如下步骤：
1)利用脑电采集设备记录N个导联的头皮脑电信号，N>＝64，以64、128为宜，且N个导联均匀分布在头皮，呈球对称，记录时长大于30s，以30s、60s为宜，每个导联的头皮脑电信号的数据长度为n，第j个导联的头皮脑电信号的第k个数据点表示为Yjk，其中，j＝1,2,……,N，k＝1,2,……,n；
本发明实施例是采用Neuroscan脑电采集系统记录头皮脑电电信号，该脑电采集系统在阻抗匹配、信号放大、干扰去除等方面均有很好的效果，便于满足脑电溯源的要求；
球对称状态下的脑电溯源与真实值最接近，溯源效果最好，导联数过多将使得头皮导联间距过小，容易造成不同导联间的数据混淆，而导联数过少则采集的信息有限，不能很好回溯脑内偶极子的电流强度，所以选择导联数N>＝64；
记录时长<30s时通常包含信息量较少，进行脑电溯源时容易出现分辨率不够的问题，记录时长>60s时通常包含多种信息加工，脑内信号源不唯一，将给脑电溯源增加困难，最好记录时长<60s。
2)将头皮脑电信号等效为脑内均匀分布的L个偶极子产生的电流强度的映射和叠加，每个偶极子的电流数据长度与头皮脑电的数据长度相等为n，根据头皮脑电信号采用低分辨率层析成像方法进行脑电逆问题求解，得到脑内各偶极子的电流强度Z的加权最小范数解，脑内第l个偶极子第k个数据点的电流强度表示为Zlk，其中，l＝1,2,……,L，k＝1,2,……,n，L>＝N；
所述的偶极子，具体是两个相距很近的等量异号电荷组成的电偶极子，电偶极子在外电场中受力矩作用而旋转，使其电偶极矩转向外电场方向。电偶极子产生的电场是构成它的正、负点电荷产生的电场之和。
所述的采用低分辨率层析成像方法进行脑电逆问题求解，首先是根据公式Y＝KZ建立头皮脑电电信与脑内偶极子的关系，式中Y是采集到的头皮脑电电信，Z是脑内偶极子的电流强度，K为非线性传递矩阵，然后是根据公式：
Z＝(WBTBW)-1KT{K(WBTBW)-1KT}+Y
求解脑内偶极子电流强度Z的加权最小范数解，其中B为拉普拉斯算子，W＝||K||，T表示矩阵的转置，-1表示矩阵的逆，+表示矩阵的广义逆。该公式涉及多层次的矩阵运算，为防止计算失败，应选择性能较高的计算机或工作站。
3)根据偶极子的三维坐标从脑内L个偶极子中分离出M个属于脑深部组织的偶极子，每个属于脑深部组织的偶极子的电流数据长度为n，脑深部组织第i个偶极子第k个数据点的电流强度表示为Xik，其中，i＝1,2,……,M，k＝1,2,……,n，M<L；
所述的根据偶极子的三维坐标从脑内L个偶极子中分离出M个属于脑深部组织的偶极子，首先是以大脑中心为坐标原点，计算以坐标原点为球心、半径为2cm的球体表面的三维坐标值，作为脑深部组织的最大坐标值，分别将脑内L个偶极子的三维坐标值与脑深部组织的最大坐标值进行比较，若所述偶极子的三维坐标值小于或等于脑深部组织的最大坐标值，则认为该偶极子属于脑深部组织的偶极子，若所述偶极子的三维坐标值大于脑深部组织的最大坐标值，则认为该偶极子不属于脑深部组织的偶极子。
4)分别计算每个导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关性，首先计算每个导联的头皮脑电信号与M个属于脑深部组织的偶极子的电流强度的相关系数，第j导联的头皮脑电信号与第i个偶极子电流强度的相关系数表示为rij，
式中，表示第i个脑深部组织的偶极子n个数据点的电流强度的均值，表示第j导联的头皮脑电信号n个数据点的均值，然后计算每个导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关系数，具体是对每个导联的头皮脑电信号与脑深部组织中所有偶极子电流强度的相关系数求和，第j导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关系数记为Rj，
由于磁刺激技术上的限制，脑深部磁刺激往往很难聚焦到脑深部组织中的一点，本发明将脑深部组织作为一个整体进行刺激，因此计算每个导联的头皮脑电信号与整个脑深部组织的相关性。
5)分别比较N个导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关系数大小，相关系数最大的导联标号记为J，满足RJ＝max(Rj)，把第J个导联所在的位置确定为脑深部磁刺激的靶点位置。
选择与脑深部组织相关性最大的头皮脑电所在的位置作为脑深部磁刺激的靶点，是从客观数据的角度选择与脑深部组织关联最密切的刺激靶点，克服了以往选择脑深部磁刺激靶点时的主观性，使得脑深部磁刺激更加准确和有效。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。
本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用脑电采集设备记录N个导联的头皮脑电信号，N>＝64，且N个导联均匀分布在头皮，呈球对称，记录时长大于30s，每个导联的头皮脑电信号的数据长度为n，第j个导联的头皮脑电信号的第k个数据点表示为Yjk，其中，j＝1,2,……,N，k＝1,2,……,n；
2)将头皮脑电信号等效为脑内均匀分布的L个偶极子产生的电流强度的映射和叠加，每个偶极子的电流数据长度与头皮脑电的数据长度相等为n，根据头皮脑电信号采用低分辨率层析成像方法进行脑电逆问题求解，得到脑内各偶极子的电流强度Z的加权最小范数解，脑内第l个偶极子第k个数据点的电流强度表示为Zlk，其中，l＝1,2,……,L，k＝1,2,……,n，L>＝N；
3)根据偶极子的三维坐标从脑内L个偶极子中分离出M个属于脑深部组织的偶极子，每个属于脑深部组织的偶极子的电流数据长度为n，脑深部组织第i个偶极子第k个数据点的电流强度表示为Xik，其中，i＝1,2,……,M，k＝1,2,……,n，M<L；
4)分别计算每个导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关性，首先计算每个导联的头皮脑电信号与M个属于脑深部组织的偶极子的电流强度的相关系数，第j导联的头皮脑电信号与第i个偶极子电流强度的相关系数表示为rij，
式中，表示第i个脑深部组织的偶极子n个数据点的电流强度的均值，表示第j导联的头皮脑电信号n个数据点的均值，然后计算每个导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关系数，具体是对每个导联的头皮脑电信号与脑深部组织中所有偶极子电流强度的相关系数求和，第j导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关系数记为Rj，
5)分别比较N个导联的头皮脑电信号与脑深部组织的相关系数大小，相关系数最大的导联标号记为J，满足RJ＝max(Rj)，把第J个导联所在的位置确定为脑深部磁刺激的靶点位置。
2.根据权利要求1所述的基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法，其特征在于，步骤2)所述的采用低分辨率层析成像方法进行脑电逆问题求解，首先是根据公式Y＝KZ建立头皮脑电电信与脑内偶极子的关系，式中Y是采集到的头皮脑电电信，Z是脑内偶极子的电流强度，K为非线性传递矩阵，然后是根据公式
Z＝(WBTBW)-1KT{K(WBTBW)-1KT}+Y
求解脑内偶极子电流强度Z的加权最小范数解，其中B为拉普拉斯算子，W＝||K||，T表示矩阵的转置，-1表示矩阵的逆，+表示矩阵的广义逆。
3.根据权利要求1所述的基于脑电溯源和线性相关的脑深部磁刺激靶点定位方法，其特征在于，步骤3)所述的根据偶极子的三维坐标从脑内L个偶极子中分离出M个属于脑深部组织的偶极子，首先是以大脑中心为坐标原点，计算以坐标原点为球心、半径为2cm的球体表面的三维坐标值，作为脑深部组织的最大坐标值，分别将脑内L个偶极子的三维坐标值与脑深部组织的最大坐标值进行比较，若所述偶极子的三维坐标值小于或等于脑深部组织的最大坐标值，则认为该偶极子属于脑深部组织的偶极子，若所述偶极子的三维坐标值大于脑深部组织的最大坐标值，则认为该偶极子不属于脑深部组织的偶极子。
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