CN110548226B - 一种根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法，包括如下步骤：S1、将神经电信号进行频域分割，得到多个神经节律；S2、计算神经通路两端的同等节律耦合特征和交叉节律耦合特征；S3、对比得出占主导作用的节律耦合特征；S4、根据占主导作用的节律耦合特征建立rTMS刺激模式。本发明针对磁刺激靶点位于神经通路时，提出根据神经通路两端的神经节律耦合特征，确定rTMS刺激模式，为rTMS刺激模式的选择提供可靠依据，具有良好的发展和应用前景。

Description

一种根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法

技术领域

本发明涉及经颅磁刺激的重复频率建立方法，特别是涉及一种根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法。

背景技术

重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)是一种脑刺激技术，广泛应用于脑功能、脑网络及脑回路等研究。

rTMS刺激模式是rTMS脑研究中的重要参数。已有rTMS刺激模式包括单频率重复磁刺激模式和丛状重复磁刺激模式两种。其中，1Hz以上的单频率rTMS用于易化皮层兴奋性，1Hz以下的单频率rTMS用于抑制皮层兴奋性；连续性的丛状rTMS用于易化皮层兴奋性，间歇性的丛状rTMS用于抑制皮层兴奋性。对于同样的刺激目的，具体是选择单频率rTMS还是丛状rTMS，目前尚无明确依据。这给rTMS刺激模式的选择带来困难，刺激模式的不统一也给多个研究之间的对比造成不便。

发明内容

为了解决解决现有技术中rTMS刺激模式的选择缺乏依据的缺点，本发明的目的是提供一种根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法，包括如下步骤：

S1、将神经电信号进行频域分割，得到多个神经节律；

S2、计算神经通路两端的同等节律耦合特征和交叉节律耦合特征；

S3、对比得出占主导作用的节律耦合特征；

S4、根据占主导作用的节律耦合特征建立rTMS刺激模式。

进一步的，所述S1具体包括：

S1.1记录神经通路两端的神经电信号，记为X(t)和Y(t)，t＝1,2,……,T，T为时间长度；

S1.2通过节律分割得到多个神经节律的时域信号，记为x_m(t)和y_m(t)其中，m指具体的神经节律，m＝{δ、θ、α、β、γ}；

S1.3对神经通路两端的各神经节律的时域信号进行Hilbert变换，得到神经通路两端的各神经节律的幅值序列，记为Ax_m(t)和Ay_m(t)，以及神经通路两端的各神经节律的相位序列，记为φx_m(t)和φy_m(t)。

进一步的，所述S2具体包括：

S2.1计算神经通路两端的同等节律耦合特征，记为CMI_m；

S2.2计算神经通路两端的交叉节律耦合特征，记为MI_lh，lh＝{δ→α,δ→β,δ→γ,θ→α,θ→β,θ→γ}。

进一步的，所述S3具体包括：

S3.1对所有同等节律耦合特征CMI_m和所有交叉节律耦合特征MI_lh进行排序，得出1个占主导作用的节律耦合特征。

进一步的，所述S4具体包括：

S4.1当同等节律耦合特征占主导作用时，建立单频率rTMS刺激模式，当交叉节律耦合特征占主导作用时，建立丛状rTMS刺激模式。

进一步的，所述S1.2中通过节律分割得到多个神经节律的时域信号，具体包括如下步骤：

1)将神经通路两端的神经电信号X(t)和Y(t)变换至频域，根据频率范围对神经节律进行分割，其中δ节律为1-4Hz，θ节律为4-8Hz，α节律为8-13Hz，β节律为13-30Hz，γ节律为30-50Hz，得到神经通路两端的各神经节律的频域信号；

2)对神经通路两端的各神经节律的频域信号分别进行傅里叶逆变换，得到神经通路两端的各神经节律的时域信号，记为x_m(t)和y_m(t)。

进一步的，所述S2.1中所述的计算神经通路两端的同等节律耦合特征，具体包括如下步骤：

1)计算流过神经通路的信息流大小，记为I^τ，τ是时间滞后函数；

2)计算各神经节律的同等节律耦合特征，由条件互信息得出，H(·|·)表示条件熵；

进一步的，所述S2.2中计算神经通路两端的交叉节律耦合特征，具体包括如下步骤：

1)将所有神经节律划分为低频神经节律组和高频神经节律组，低频神经节律组包括δ节律和θ节律，表示为lm，高频神经节律组包括α节律、β节律和γ节律，表示为hm；

2)提取神经通路一端的低频节律相位和神经通路另一端的高频节律幅值，分别记为φx_lm(t)和Ay_hm(t)，其中，lm＝{δ,θ}，hm＝{α,β,γ}；

3)将低频节律相位的每个周期均分成n个区间，计算高频节律幅值在低频节律相位的概率分布，包含3个高频节律和2个低频节律，记为P_lh(j)，lh＝{δ→α,δ→β,δ→γ,θ→α,θ→β,θ→γ}，j＝1,2,……,n，k＝1,2,……,n；

4)计算低频节律相位对高频节律幅值的调制指数，记为MI_lh；

进一步的，所述S4.1中建立单频率rTMS刺激模式，具体为结合刺激目的确立单频率rTMS的重复频率，当刺激目的为易化皮层兴奋性时，采用该神经节律的中心频率或更高频率作为rTMS重复频率，当刺激目的为抑制皮层兴奋性时，采用低于该神经节律中心频率的频率作为rTMS重复频率，或者选用1Hz以下的频率作为rTMS重复频率。

进一步的，所述S4.1中建立丛状rTMS刺激模式，具体包括间歇性丛状刺激模式和连续性丛状刺激模式，当刺激目的为易化皮层兴奋性时，采用间歇性丛状刺激模式进行刺激，当刺激目的为抑制皮层兴奋性时，采用连续性丛状刺激模式进行刺激，丛间重复频率为低频节律的中心频率，丛内脉冲重复频率为高频节律的中心频率。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明针对磁刺激靶点位于神经通路时，提出根据神经通路两端的神经节律耦合特征，确定rTMS刺激模式，为rTMS刺激模式的选择提供可靠依据，具有良好的发展和应用前景。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法，包括如下步骤：

S1、将神经电信号进行频域分割，得到多个神经节律；

S1.1记录神经通路两端的神经电信号，记为X(t)和Y(t)，t＝1,2,……,T，T为时间长度；

S1.2通过节律分割得到多个神经节律的时域信号，记为x_m(t)和y_m(t)其中，m指具体的神经节律，m＝{δ、θ、α、β、γ}；

S1.3对神经通路两端的各神经节律的时域信号进行Hilbert变换，得到神经通路两端的各神经节律的幅值序列，记为Ax_m(t)和Ay_m(t)，以及神经通路两端的各神经节律的相位序列，记为φx_m(t)和φy_m(t)。

S2、计算神经通路两端的同等节律耦合特征和交叉节律耦合特征；

S2.1计算神经通路两端的同等节律耦合特征，记为CMI_m；

1)计算流过神经通路的信息流大小，记为I^τ，τ是时间滞后函数；

2)计算各神经节律的同等节律耦合特征，由条件互信息得出，H(·|·)表示条件熵；

S2.2计算神经通路两端的交叉节律耦合特征，记为MI_lh，lh＝{δ→α,δ→β,δ→γ,θ→α,θ→β,θ→γ}；

具体包括如下步骤：

1)将所有神经节律划分为低频神经节律组和高频神经节律组，低频神经节律组包括δ节律和θ节律，表示为lm，高频神经节律组包括α节律、β节律和γ节律，表示为hm；

2)提取神经通路一端的低频节律相位和神经通路另一端的高频节律幅值，分别记为φx_lm(t)和Ay_hm(t)，其中，lm＝{δ,θ}，hm＝{α,β,γ}；

3)将低频节律相位的每个周期均分成n个区间，计算高频节律幅值在低频节律相位的概率分布，包含3个高频节律和2个低频节律，记为P_lh(j)，lh＝{δ→α,δ→β,δ→γ,θ→α,θ→β,θ→γ}，j＝1,2,……,n，k＝1,2,……,n；

4)计算低频节律相位对高频节律幅值的调制指数，记为MI_lh；

S3、对比得出占主导作用的节律耦合特征；

S3.1对所有同等节律耦合特征CMI_m和所有交叉节律耦合特征MI_lh进行排序，得出1个占主导作用的节律耦合特征。

S4、根据占主导作用的节律耦合特征建立rTMS刺激模式；

S4.1当同等节律耦合特征占主导作用时，建立单频率rTMS刺激模式，当交叉节律耦合特征占主导作用时，建立丛状rTMS刺激模式。

建立单频率rTMS刺激模式，具体为结合刺激目的确立单频率rTMS的重复频率，当刺激目的为易化皮层兴奋性时，采用该神经节律的中心频率或更高频率作为rTMS重复频率，当刺激目的为抑制皮层兴奋性时，采用低于该神经节律中心频率的频率作为rTMS重复频率，或者选用1Hz以下的频率作为rTMS重复频率。

建立丛状rTMS刺激模式，具体包括间歇性丛状刺激模式和连续性丛状刺激模式，当刺激目的为易化皮层兴奋性时，采用间歇性丛状刺激模式进行刺激，当刺激目的为抑制皮层兴奋性时，采用连续性丛状刺激模式进行刺激，丛间重复频率为低频节律的中心频率，丛内脉冲重复频率为高频节律的中心频率。

实施案例：以大鼠海马神经通路为刺激对象，记录神经通路两端CA3和CA1的局部场电位，计算同等神经节律的耦合特征和交叉神经节律的耦合特征。若alpha节律的同等节律交叉耦合特征占主要作用，则建立单频率rTMS刺激模式，采用alpha节律的中心频率作为rTMS重复频率；若theta节律与gamma节律的交叉节律耦合特征占主要作用，则建立丛状rTMS刺激模式，采用theta节律的中心频率作为丛间重复频率，采用gamma节律的中心频率作为丛内脉冲重复频率。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将神经电信号进行频域分割，得到多个神经节律；

S2、计算神经通路两端的同等节律耦合特征和交叉节律耦合特征；

S3、对比得出占主导作用的节律耦合特征；

S4、根据占主导作用的节律耦合特征建立rTMS刺激模式；

S1.1记录神经通路两端的神经电信号，记为X(t)和Y(t)，t＝1,2,……,T，T为时间长度；

S1.2通过节律分割得到多个神经节律的时域信号，记为x_m(t)和y_m(t)其中，m指具体的神经节律，m＝{δ、θ、α、β、γ}；

S1.3对神经通路两端的各神经节律的时域信号进行Hilbert变换，得到神经通路两端的各神经节律的幅值序列，记为Ax_m(t)和Ay_m(t)，以及神经通路两端的各神经节律的相位序列，记为φx_m(t)和φy_m(t)；

S2.1计算神经通路两端的同等节律耦合特征，记为CMI_m；

S2.2计算神经通路两端的交叉节律耦合特征，记为MI_lh，lh＝{δ→α,δ→β,δ→γ,θ→α,θ→β,θ→γ}；

S4.1当同等节律耦合特征占主导作用时，建立单频率rTMS刺激模式，当交叉节律耦合特征占主导作用时，建立丛状rTMS刺激模式；

所述S2.1中所述的计算神经通路两端的同等节律耦合特征，具体包括如下步骤：

1)计算流过神经通路的信息流大小，记为I^τ，τ是时间滞后函数；

2)计算各神经节律的同等节律耦合特征，由条件互信息得出，H(·|·)表示条件熵；

所述S2.2中计算神经通路两端的交叉节律耦合特征，具体包括如下步骤：

1)将所有神经节律划分为低频神经节律组和高频神经节律组，低频神经节律组包括δ节律和θ节律，表示为lm，高频神经节律组包括α节律、β节律和γ节律，表示为hm；

2)提取神经通路一端的低频节律相位和神经通路另一端的高频节律幅值，分别记为φx_lm(t)和Ay_hm(t)，其中，lm＝{δ,θ}，hm＝{α,β,γ}；

3)将低频节律相位的每个周期均分成n个区间，计算高频节律幅值在低频节律相位的概率分布，包含3个高频节律和2个低频节律，记为P_lh(j)，lh＝{δ→α,δ→β,δ→γ,θ→α,θ→β,θ→γ}，j＝1,2,……,n，k＝1,2,……,n；

4)计算低频节律相位对高频节律幅值的调制指数，记为MI_lh；

2.根据权利要求1所述的根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法，其特征在于，所述S3具体包括：

S3.1对所有同等节律耦合特征CMI_m和所有交叉节律耦合特征MI_lh进行排序，得出1个占主导作用的节律耦合特征。

3.根据权利要求1所述的根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法，其特征在于，所述S1.2中所述的通过节律分割得到多个神经节律的时域信号，具体包括如下步骤：

1)将神经通路两端的神经电信号X(t)和Y(t)变换至频域，根据频率范围对神经节律进行分割，其中δ节律为1-4Hz，θ节律为4-8Hz，α节律为8-13Hz，β节律为13-30Hz，γ节律为30-50Hz，得到神经通路两端的各神经节律的频域信号；

2)对神经通路两端的各神经节律的频域信号分别进行傅里叶逆变换，得到神经通路两端的各神经节律的时域信号，记为x_m(t)和y_m(t)。

4.根据权利要求1所述的根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法，其特征在于，所述S4.1中建立单频率rTMS刺激模式，具体为结合刺激目的确立单频率rTMS的重复频率，当刺激目的为易化皮层兴奋性时，采用该神经节律的中心频率或更高频率作为rTMS重复频率，当刺激目的为抑制皮层兴奋性时，采用低于该神经节律中心频率的频率作为rTMS重复频率，或者选用1Hz以下的频率作为rTMS重复频率。

5.根据权利要求1所述的根据节律耦合特征建立经颅磁刺激模式的方法，其特征在于，所述S4.1中建立丛状rTMS刺激模式，具体包括间歇性丛状刺激模式和连续性丛状刺激模式，当刺激目的为易化皮层兴奋性时，采用间歇性丛状刺激模式进行刺激，当刺激目的为抑制皮层兴奋性时，采用连续性丛状刺激模式进行刺激，丛间重复频率为低频节律的中心频率，丛内脉冲重复频率为高频节律的中心频率。

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