CN109965874A - 一种提取皮质静息期持续时间的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提取皮质静息期持续时间的方法，包括：采集目标手和目标对侧手的手部肌肉的肌电信号；对所采集的肌电信号进行预处理；提取预处理后肌电信号中经颅磁刺激干扰电位的峰值时刻点；提取运动诱发电位峰值时刻点；计算各时刻点能量值；计算肌电信号的基线能量值；计算皮质静息期持续时间。全自动、可单次提取皮质静息期持续时间的方法，可用于对侧皮质静息期和同侧皮质静息期持续时间的提取。本发明操作简单、快捷，无需修改参数，输入肌电信号即可获得单次的皮质静息期持续时间，可为经颅磁刺激用于检测运动区抑制通路及胼胝体抑制通路的性能提供方法上的支持，在一定程度上能促进皮质静息期在脑科学研究中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种提取皮质静息期的方法。特别是涉及一种提取皮质静息期持续时间的方法。
背景技术
经颅磁刺激的原理是基于法拉第电磁感应定律，通过时变电场作用于大脑皮层，在颅内产生感应电场，从而影响神经的生理特征。它具有无创、安全、能穿透颅骨进行刺激和靶向性的优点。在外周肌肉收缩状态时，肌电图可以记录到持续的肌肉电活动，此时将单脉冲经颅磁刺激作用于收缩肌肉对应的脑初级运动皮层，可以在肌电上观察到在经颅磁刺激诱发的运动诱发电位波形后有一段肌肉电活动被抑制的时期，这一段肌肉电活动“静息”的时间被称为皮质静息期，即从记录到运动诱发电位后到肌肉恢复肌电图活性的时间间隔。当经颅磁刺激作用于收缩肌肉对侧时，记录到的为对侧皮质静息期，可以反映皮质的抑制功能；当经颅磁刺激作用于收缩肌肉同侧时，记录到的为同侧皮质静息期，可以反映跨胼胝体的抑制。皮质静息期和同侧皮质静息期均可用于脑运动功能评估，是脑科学研究中的一项重要指标。
目前，皮质静息期的获得主要有两种方式，第一，通过评估者直接用眼睛观测，获得皮质静息期的起点和终点，这种方法受评估者主观性的影响，不同的评估者获得的结果不同，另外，皮质静息期的持续时间一般取多次检测的平均值，那么使用眼睛进行多次直接观测皮质静息期将是费时、费力、易出现错误的一项工作。第二，将多次检测的皮质静息期的肌电信号先进行叠加平均，在叠加平均后的信号中用眼睛观测皮质静息期的起点和终点，由于皮质静息期是在肌肉收缩时进行检测的，而个体内多次采集的皮质静息期持续时间存在差异性，因此，叠加后求取将使获得的皮质静息期持续时间变短，造成测量误差。另外，通过先叠加后测量皮质静息期持续时间的方法不能进行个体内皮质静息期变化的计算，影响了其使用范围。因此，发展一种全自动、可单次提取皮质静息期持续时间的方法，可以节约人力成本，快速进行多次计算，使计算更具规范性，从而提高计算的准确性、可重复性，为皮质静息期用于脑科学的研究提供一定的帮助，具有重要的研究意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种全自动、可用于对大脑运动区抑制通路及胼胝体抑制通路性能检测的提取皮质静息期持续时间的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种提取皮质静息期持续时间的方法，包括如下步骤：
1)采集目标手和目标对侧手的手部肌肉的肌电信号；
2)对所采集的肌电信号进行预处理；
3)提取预处理后肌电信号中经颅磁刺激干扰电位的峰值时刻点；
4)提取运动诱发电位峰值时刻点；
5)计算各时刻点能量值；
6)计算肌电信号的基线能量值；
7)计算皮质静息期持续时间。
步骤1)所述的采集目标手和目标对侧手的手部肌肉的肌电信号，是在目标手手部肌肉对应的脑运动皮层施加若干个单脉冲经颅磁刺激时，采集目标手手部肌肉的第一导肌电信号和目标对侧手手部肌肉的第二导肌电信号，所述的目标手为记录皮质静息期肌电信号的手，目标对侧手为不记录皮质静息期肌电信号的手，所述的目标手手部肌肉为目标手的第一骨间背侧肌，所述的第一导肌电信号是目标手拇指和食指使用捏力计以最大捏力的10％～20％对捏时，通过两个记录电极和一个参考电极采集的第一骨间背侧肌的肌电信号，两个记录电极位于第一骨间背侧肌肌腹两端，参考电极位于目标手同侧的豌豆骨，所述的最大捏力是拇指和食指使用捏力计以最大力量进行对捏，并维持3s，在捏力计上读出的捏力值，最大捏力的10％～20％是通过最大捏力进行计算获得，所述的第二导肌电信号是目标对侧手手肌肉呈自然放松状态，即静息态时，通过在目标对侧手第一个骨间背侧肌上放置两个记录电极采集的第一骨间背侧肌的肌电信号，所述的单脉冲经颅磁刺激施加的次数不限，刺激间隔3s到5s。
步骤2)所述的预处理，包括分别对第一导肌电信号和第二导肌电信号进行50Hz陷波，然后通过10Hz高通滤波去除基线漂移，获得第一导预处理肌电信号和第二导预处理肌电信号。
步骤3)包括：求取第二导预处理肌电信号的最大值，以三分之一第二导肌电信号的最大值为第一阈值，求取第二导预处理肌电信号大于第一阈值时的类峰值时刻点，提取相邻两个类峰值时刻点的间隔大于0.5s的类峰值时刻点，即经颅磁刺激干扰电位峰值时刻点。
步骤4)所述的提取运动诱发电位峰值时刻点，是在经颅磁刺激干扰电位峰值时刻点后15ms到30ms内，寻找第一导预处理肌电信号最大值的横坐标，即为运动诱发电位峰值时刻点。
步骤5)所述的计算各时刻点能量值，是通过对第一导预处理肌电信号各时刻点的幅值进行平方而获得。
步骤6)所述的计算基线能量值，是在经颅磁刺激干扰电位峰值时刻点前，将20ms到200ms内的时刻点能量值分为18个10ms的基线能量段，计算各基线能量段内的能量均值，最后计算18个基线能量段能量均值的平均值，所述的能量均值的平均值为基线能量值，将基线能量值作为第二阈值。
步骤8)所述的计算皮质静息期持续时间，包括有：取运动诱发电位峰值时刻点后0ms到200ms各时刻点能量值，分为200个1ms的信号能量段，计算200个信号能量段内各时刻点能量值平均值，构成信号能量段平均值，将信号能量段平均值与第二阈值进行比较，将信号能量段平均值小于第二阈值的信号能量段存储在第一数组中，将第一数组中的每一个元素值减去第一数组中的第一个元素值，获得第二数组，将第二数组的每一个元素值减去元素值自身所在的数组位置，获得第三数组，求取第三数组中含有的所有元素值，获得第四数组，判断第四数组中每个元素值在第三数组中的个数，获得第五数组，最后求取第五数组的最大值，该最大值即为皮质静息期持续时间。
本发明的一种提取皮质静息期持续时间的方法，是一种全自动、可单次提取皮质静息期持续时间的方法，可用于对侧皮质静息期和同侧皮质静息期持续时间的提取。本发明考虑了同一个体多次皮质静息期的差异性，以信号能量变化为基础，通过设置能量阈值，实现全自动、单次的皮质静息期持续时间提取。本发明的方法操作简单、快捷，无需修改参数，输入肌电信号即可获得单次的皮质静息期持续时间，可为经颅磁刺激用于检测运动区抑制通路及胼胝体抑制通路的性能提供方法上的支持，在一定程度上能促进皮质静息期在脑科学研究中的应用。
附图说明
图1是本发明一种提取皮质静息期持续时间的方法流程图；
图2是肌电信号的采集示意图；
图3是提取经颅磁刺激干扰电位峰值时刻点的流程图；
图4是皮质静息期持续时间的计算流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种提取皮质静息期持续时间的方法做出详细说明。
本发明的一种提取皮质静息期持续时间的方法，是基于记录收缩外周肌肉的肌电及其静息态对侧外周肌电两通道肌电的方法来实现。主要原因是肌肉在收缩状态时，在其对应的脑运动皮层实施单脉冲经颅磁刺激，诱发的运动诱发电位幅值较肌肉在静息态时更高，甚至超过经颅磁刺激干扰电位，造成经颅磁刺激干扰电位时刻点提取难度加大，本发明的方法通过记录目标对侧手的手部肌肉静息态时的肌电信号，从该信号中提取经颅磁刺激干扰电位的时刻点，降低方法的难度，缩短计算方法的运行时间。
如图1所示，本发明的一种提取皮质静息期持续时间的方法，包括如下步骤：
1)采集目标手和目标对侧手的手部肌肉的肌电信号1；
如图2所示，是在目标手手部肌肉对应的脑运动皮层施加若干个单脉冲经颅磁刺激时，采集目标手手部肌肉的第一导肌电信号11和目标对侧手手部肌肉的第二导肌电信号12，所述的目标手为记录皮质静息期肌电信号的手，目标对侧手为不记录皮质静息期肌电信号的手，所述的目标手手部肌肉为目标手的第一骨间背侧肌，其中，所述的第一导肌电信号11是目标手拇指和食指使用捏力计以最大捏力的10％～20％对捏时，通过两个记录电极和一个参考电极采集的第一骨间背侧肌的肌电信号，两个记录电极位于第一骨间背侧肌肌腹两端，参考电极位于目标手同侧的豌豆骨，最大捏力是拇指和食指使用捏力计以最大力量进行对捏，并维持3s，在捏力计上读出的捏力值，最大捏力的10％～20％可通过最大捏力进行计算获得，所述的第二导肌电信号12是目标对侧手手部肌肉呈自然放松状态，即静息态时，通过在目标对侧手第一个骨间背侧肌上放置两个记录电极采集的第一骨间背侧肌的肌电信号，所述的单脉冲经颅磁刺激施加的次数不限，刺激间隔3s到5s。
2)对所采集的肌电信号1进行预处理；
是分别对第一导肌电信号11和第二导肌电信号12进行50Hz陷波，然后通过10Hz高通滤波去除基线漂移，获得第一导预处理肌电信号21和第二导预处理肌电信号22。
3)提取预处理后肌电信号的经颅磁刺激干扰电位的峰值时刻点；
如图3所示，包括：求取第二导预处理肌电信号22的最大值31，以三分之一第二导肌电信号12的最大值31为第一阈值32，求取第二导预处理肌电信号22大于第一阈值32时的类峰值时刻点，提取相邻两个类峰值时刻点的间隔大于0.5s的类峰值时刻点，即经颅磁刺激干扰电位峰值时刻点3。
4)提取运动诱发电位峰值时刻点4；
是在经颅磁刺激干扰电位峰值时刻点3后15ms到30ms内，寻找第一导预处理肌电信号21最大值的横坐标，即为运动诱发电位峰值时刻点4。
5)计算各时刻点能量值5；
是通过对第一导预处理肌电信号21各时刻点的幅值进行平方而获得。
6)计算肌电信号的基线能量值6；
是在经颅磁刺激干扰电位峰值时刻点3前，将20ms到200ms内时刻点能量值分为18个10ms的基线能量段，计算各基线能量段内的能量均值，最后计算18个基线能量段能量均值的平均值，所述的能量均值的平均值为基线能量值6，将基线能量值6作为第二阈值。
7)计算皮质静息期持续时间7。
如图4所示，包括有：取运动诱发电位峰值时刻点4后0ms到200ms各时刻点能量值5，分为200个1ms的信号能量段，计算200个信号能量段内各时刻点能量值5的平均值，构成信号段脑内能量平均值71，将信号段脑内能量平均值71与第二阈值进行比较，将信号能量段平均值71小于第二阈值的信号能量段存储在第一数组A(i)中，将第一数组A(i)中的每一个元素值减去第一数组A(i)中的第一个元素值，获得第二数组，即B(i)＝A(i)-A(1)，将第二数组的每一个元素值减去元素值自身所在的数组位置，获得第三数组，即：C(i)＝B(i)-i，求取第三数组C(i)中含有的所有元素值，获得第四数组D(j)，求取第四数组D(j)中每个元素值在第二三数组C(i)中的个数，获得第五数组E(j)，最后求取第五数组E(j)的最大值，该最大值即为皮质静息期持续时间7。
本发明的一种提取皮质静息期持续时间的方法，建立了自动、可单次提取皮质静息期持续时间的计算方法，降低了传统使用评估者眼测方法的测量误差，降低了提取皮质静息期持续时间的计算时间，提高了计算准确度及一致性，为皮质静息期持续时间在脑科学中的应用提供了帮助。
Claims (8)
1.一种提取皮质静息期持续时间的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采集目标手和目标对侧手的手部肌肉的肌电信号；
2)对所采集的肌电信号进行预处理；
3)提取预处理后肌电信号中经颅磁刺激干扰电位的峰值时刻点；
4)提取运动诱发电位峰值时刻点；
5)计算各时刻点能量值；
6)计算肌电信号的基线能量值；
7)计算皮质静息期持续时间。
2.根据权利要求1所述的一种提取皮质静息期持续时间的方法，其特征在于，步骤1)所述的采集目标手和目标对侧手的手部肌肉的肌电信号，是在目标手手部肌肉对应的脑运动皮层施加若干个单脉冲经颅磁刺激时，采集目标手手部肌肉的第一导肌电信号(11)和目标对侧手手部肌肉的第二导肌电信号(12)，所述的目标手为记录皮质静息期肌电信号的手，目标对侧手为不记录皮质静息期肌电信号的手，所述的目标手手部肌肉为目标手的第一骨间背侧肌，所述的第一导肌电信号(11)是目标手拇指和食指使用捏力计以最大捏力的10％～20％对捏时，通过两个记录电极和一个参考电极采集的第一骨间背侧肌的肌电信号，两个记录电极位于第一骨间背侧肌肌腹两端，参考电极位于目标手同侧的豌豆骨，所述的最大捏力是拇指和食指使用捏力计以最大力量进行对捏，并维持3s，在捏力计上读出的捏力值，最大捏力的10％～20％是通过最大捏力进行计算获得，所述的第二导肌电信号(12)是目标对侧手手肌肉呈自然放松状态，即静息态时，通过在目标对侧手第一个骨间背侧肌上放置两个记录电极采集的第一骨间背侧肌的肌电信号，所述的单脉冲经颅磁刺激施加的次数不限，刺激间隔3s到5s。
3.根据权利要求1所述的一种提取皮质静息期持续时间的方法，其特征在于，步骤2)所述的预处理，包括分别对第一导肌电信号(11)和第二导肌电信号(12)进行50Hz陷波，然后通过10Hz高通滤波去除基线漂移，获得第一导预处理肌电信号(21)和第二导预处理肌电信号(22)。
4.根据权利要求1所述的一种提取皮质静息期持续时间的方法，其特征在于，步骤3)包括：求取第二导预处理肌电信号(22)的最大值，以三分之一第二导肌电信号(12)的最大值为第一阈值，求取第二导预处理肌电信号(22)大于第一阈值时的类峰值时刻点，提取相邻两个类峰值时刻点的间隔大于0.5s的类峰值时刻点，即经颅磁刺激干扰电位峰值时刻点。
5.根据权利要求1所述的一种提取皮质静息期持续时间的方法，其特征在于，步骤4)所述的提取运动诱发电位峰值时刻点，是在经颅磁刺激干扰电位峰值时刻点后15ms到30ms内，寻找第一导预处理肌电信号(21)最大值的横坐标，即为运动诱发电位峰值时刻点。
6.根据权利要求1所述的一种提取皮质静息期持续时间的方法，其特征在于，步骤5)所述的计算各时刻点能量值，是通过对第一导预处理肌电信号(21)各时刻点的幅值进行平方而获得。
7.根据权利要求1所述的一种提取皮质静息期持续时间的方法，其特征在于，步骤6)所述的计算基线能量值，是在经颅磁刺激干扰电位峰值时刻点前，将20ms到200ms内的时刻点能量值分为18个10ms的基线能量段，计算各基线能量段内的能量均值，最后计算18个基线能量段能量均值的平均值，所述的能量均值的平均值为基线能量值，将基线能量值作为第二阈值。
8.根据权利要求1所述的一种提取皮质静息期持续时间的方法，其特征在于，步骤8)所述的计算皮质静息期持续时间，包括有：取运动诱发电位峰值时刻点后0ms到200ms各时刻点能量值，分为200个1ms的信号能量段，计算200个信号能量段内各时刻点能量值平均值，构成信号能量段平均值，将信号能量段平均值与第二阈值进行比较，将信号能量段平均值小于第二阈值的信号能量段存储在第一数组中，将第一数组中的每一个元素值减去第一数组中的第一个元素值，获得第二数组，将第二数组的每一个元素值减去元素值自身所在的数组位置，获得第三数组，求取第三数组中含有的所有元素值，获得第四数组，判断第四数组中每个元素值在第三数组中的个数，获得第五数组，最后求取第五数组的最大值，该最大值即为皮质静息期持续时间。
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