CN111938634A - 一种皮层脑电传导为头皮脑电的电模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种皮层脑电传导为头皮脑电的电模型，包括：脑膜网络、颅骨网络、头皮网络、记录电极网络和参考电极网络；其中脑膜网络包括纵向脑膜网络和横向脑膜网络，其输入端均连接大脑皮层脑电信号ECoG；颅骨网络包括纵向颅骨网络和横向颅骨网络，其输入端均与纵向脑膜网络的输出端连接；头皮网络包括纵向头皮网络和横向头皮网络，其输入端均与纵向颅骨网络的输出端连接；记录电极网络的输入端与纵向头皮网络的输出端连接；参考电极网络的输入端与横向脑膜网络、横向颅骨网络、横向头皮网络的输出端连接；记录电极网络和参考电极网络输出端构成差分头皮脑电信号。该模型考虑了空间模糊和各向异性，能够较为准确地将ECoG信号传导为EEG信号。

Description

一种皮层脑电传导为头皮脑电的电模型
技术领域
本发明属于生物电子技术领域，具体涉及一种考虑空间模糊和各向异性效应的皮层脑电传导为头皮脑电的电模型。
背景技术
皮层脑电(ECoG)来源于锥体细胞顶端树突的突触后电位，是由大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的，其同步节律的形成与皮层丘脑非特异性投射系统的活动有关。头皮脑电(EEG)是由ECoG经头部各生物体组织传导至头皮后，由记录电极记录的大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。在脑电计算领域，常常需要将皮层脑电转换为头皮脑电。生物体组织一般由细胞内液、细胞外液和细胞膜组成。细胞内液和细胞外液具有一定的导电性，因此，它们具有电阻的性质；而细胞膜的绝缘性较高，阻隔着细胞膜两侧某些离子的扩散，因此，它除具有电阻性质外还具有电容性质。据此可以将单一生物体组织等效为一个电阻级联一个由电阻和电容并联网络所构成的电模型。在现有的皮层脑电传导为头皮脑电的电模型中，人(或生物体)的头部被等效为一个由三层(或多层)组织构成的各向同性的均匀球体模型。这样的模型没有考虑到人(或生物体)头部形状的不规则性(不是理想的均匀球体)，以及不同人(或生物体)头部的不相似性，因此存在着以下两个缺点：1)没有考虑到处于头部不同部位的皮层脑电传导为头皮脑电时传导路径的不一致性，即各向异性；2)没有考虑到皮层脑电传导为头皮脑电时头部各组织在不同空间方向上对脑电信号的吸收或衰减性，即空间模糊性。。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种将皮层脑电传导为头皮脑电的电模型，该模型考虑了空间模糊和各向异性，能够较为准确地将ECoG信号传导为EEG信号。
技术方案：本发明采用如下技术方案：
一种皮层脑电传导为头皮脑电的电模型，包括：脑膜网络10、颅骨网络20、头皮网络30、记录电极网络40和参考电极网络50；
所述脑膜网络10包括纵向脑膜网络101和横向脑膜网络102，所述纵向脑膜网络101和横向脑膜网络102的输入端均连接大脑皮层脑电信号ECoG；
所述颅骨网络20包括纵向颅骨网络201和横向颅骨网络202，所述纵向颅骨网络201和横向颅骨网络202的输入端均与纵向脑膜网络101的输出端连接；所述横向颅骨网络202由8个横向颅骨子网络并联构成，所述8个横向颅骨子网络用于向8个空间方向传播信号；
所述头皮网络30包括纵向头皮网络301和横向头皮网络302；所述纵向头皮网络301和横向头皮网络302的输入端均与纵向颅骨网络201的输出端连接；
所述记录电极网络40的输入端与纵向头皮网络301的输出端连接；
所述参考电极网络50的输入端与横向脑膜网络102、横向颅骨网络202、横向头皮网络302的输出端连接；
所述记录电极网络40和参考电极网络50输出端构成差分头皮脑电信号。
所述纵向脑膜网络101、纵向颅骨网络201和纵向头皮网络301均由并联的阻容网络构成；所述记录电极网络40和参考电极网络50均由串联的阻容网络构成。
所述横向脑膜网络102和横向头皮网络302均由空间横向传播电阻网络和空间纵向传播阻容并联网络级联构成。
所述横向颅骨网络202中的8个横向颅骨子网络均由空间横向传播电阻网络和空间纵向传播阻容并联网络级联构成。
所述8个横向颅骨子网络的空间横向传播电阻网络的阻值互不相同；所述8个横向颅骨子网络的空间纵向传播阻容并联网络的阻值和容值各自互不相同。
有益效果：与现有技术相比，本发明公开的皮层脑电传导为头皮脑电的电模型具有如下优点和有益效果：该模型将ECoG信号通过横向和纵向两路处理，形成差分EEG信号；同时考虑了处于头部不同部位的皮层脑电传导为头皮脑电时传导路径的不一致性；在头部各组织中，电导率相对较低的颅骨对脑电信号传播的影响最大，因此为表征脑电信号传导各向异性，在颅骨网络中通过8个横向颅骨子网络向8个空间方向传播信号；皮层脑电传导为头皮脑电时头部各组织在不同空间方向上对脑电信号的吸收或衰减性；为表征脑电信号传导的空间模糊性，每个横向颅骨子网络均由空间横向传播电阻网络和空间纵向传播阻容并联网络级联构成。
附图说明
图1为本发明公开的皮层脑电传导为头皮脑电的电模型的结构示意图；
图2为本发明实施例中皮层脑电传导为头皮脑电的电模型的结构图；
图3为实施例中输入电模型的ECoG信号波形图；
图4为实施例中电模型输出的EEG信号与实测EEG信号的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
一种皮层脑电传导为头皮脑电的电模型，如图1和图2所示，包括：脑膜网络10、颅骨网络20、头皮网络30、记录电极网络40和参考电极网络50；
所述脑膜网络10包括纵向脑膜网络101和横向脑膜网络102，所述纵向脑膜网络101和横向脑膜网络102的输入端均连接大脑皮层脑电信号ECoG；
所述颅骨网络20包括纵向颅骨网络201和横向颅骨网络202，所述纵向颅骨网络201和横向颅骨网络202的输入端均与纵向脑膜网络101的输出端连接；所述横向颅骨网络202由8个横向颅骨子网络并联构成，所述8个横向颅骨子网络用于向8个空间方向传播信号；
所述头皮网络30包括纵向头皮网络301和横向头皮网络302；所述纵向头皮网络301和横向头皮网络302的输入端均与纵向颅骨网络201的输出端连接；
所述记录电极网络40的输入端与纵向头皮网络301的输出端连接；
所述参考电极网络50的输入端与横向脑膜网络102、横向颅骨网络202、横向头皮网络302的输出端连接；
所述记录电极网络40和参考电极网络50输出端构成差分头皮脑电信号。
所述纵向脑膜网络101、纵向颅骨网络201和纵向头皮网络301均由并联的阻容网络构成；所述记录电极网络40和参考电极网络50均由串联的阻容网络构成。
为了实现脑电信号传导的空间模糊性和各向异性，横向脑膜网络102、横向头皮网络302、横向颅骨网络202中的8个横向颅骨子网络均由空间横向传播电阻网络和空间纵向传播阻容并联网络级联构成。
8个横向颅骨子网络的空间横向传播电阻网络的阻值互不相同；8个横向颅骨子网络的空间纵向传播阻容并联网络的阻值和容值各自互不相同，以此来实现8个空间方向传播的互不相同。本实施例中，具体的取值如图2所示：
第一横向颅骨子网络2021中，空间横向传播电阻网络R20211的阻值为1200欧姆，空间纵向传播阻容并联网络R20212的阻值为2800欧姆，C20212的容值为2pF。第二横向颅骨子网络2022中，空间横向传播电阻网络R20221的阻值为1230欧姆，空间纵向传播阻容并联网络R20222的阻值为2810欧姆，C20222的容值为2.2pF。第三横向颅骨子网络2023中，空间横向传播电阻网络R20231的阻值为1300欧姆，空间纵向传播阻容并联网络R20232的阻值为2830欧姆，C20212的容值为2.4pF。第四横向颅骨子网络2024中，空间横向传播电阻网络R20241的阻值为1220欧姆，空间纵向传播阻容并联网络R20242的阻值为2910欧姆，C20242的容值为2.24pF。第五横向颅骨子网络2025中，空间横向传播电阻网络R20251的阻值为1690欧姆，空间纵向传播阻容并联网络R20252的阻值为2950欧姆，C20252的容值为2.8pF。第六横向颅骨子网络2026中，空间横向传播电阻网络R20261的阻值为2270欧姆，空间纵向传播阻容并联网络R20262的阻值为2870欧姆，C20262的容值为3.1pF。第七横向颅骨子网络2027中，空间横向传播电阻网络R20271的阻值为1100欧姆，空间纵向传播阻容并联网络R20272的阻值为2940欧姆，C20272的容值为1.8pF。第八横向颅骨子网络2028中，空间横向传播电阻网络R20281的阻值为1310欧姆，空间纵向传播阻容并联网络R20282的阻值为2920欧姆，C20282的容值为2.6pF。
为验证本发明公开的电模型的效果，本实施例采集某人的ECoG信号和EEG信号，并将其中的ECoG信号(如图3中ECoG-IN所示)输入到本实施例中的电模型中，将其传导为EEG信号(如图4中ECoG-OUT所示)，与EEG信号的实测值(如图4中EEG)对比，如图4所示，两者的信号幅度大致相当，验证了该电模型的准确性。

Claims (5)

1.一种皮层脑电传导为头皮脑电的电模型，其特征在于，包括：脑膜网络(10)、颅骨网络(20)、头皮网络(30)、记录电极网络(40)和参考电极网络(50)；
所述脑膜网络(10)包括纵向脑膜网络(101)和横向脑膜网络(102)，所述纵向脑膜网络(101)和横向脑膜网络(102)的输入端均连接大脑皮层脑电信号ECoG；
所述颅骨网络(20)包括纵向颅骨网络(201)和横向颅骨网络(202)，所述纵向颅骨网络(201)和横向颅骨网络(202)的输入端均与纵向脑膜网络(101)的输出端连接；所述横向颅骨网络(202)由8个横向颅骨子网络并联构成，所述8个横向颅骨子网络用于向8个空间方向传播信号；
所述头皮网络(30)包括纵向头皮网络(301)和横向头皮网络(302)；所述纵向头皮网络(301)和横向头皮网络(302)的输入端均与纵向颅骨网络(201)的输出端连接；
所述记录电极网络(40)的输入端与纵向头皮网络(301)的输出端连接；
所述参考电极网络(50)的输入端与横向脑膜网络(102)、横向颅骨网络(202)、横向头皮网络(302)的输出端连接；
所述记录电极网络(40)和参考电极网络(50)输出端构成差分头皮脑电信号。
2.根据权利要求1所述的皮层脑电传导为头皮脑电的电模型，其特征在于，所述纵向脑膜网络(101)、纵向颅骨网络(201)和纵向头皮网络(301)均由并联的阻容网络构成；所述记录电极网络(40)和参考电极网络(50)均由串联的阻容网络构成。
3.根据权利要求1所述的皮层脑电传导为头皮脑电的电模型，其特征在于，所述横向脑膜网络(102)和横向头皮网络(302)均由空间横向传播电阻网络和空间纵向传播阻容并联网络级联构成。
4.根据权利要求1所述的皮层脑电传导为头皮脑电的电模型，其特征在于，所述横向颅骨网络(202)中的8个横向颅骨子网络均由空间横向传播电阻网络和空间纵向传播阻容并联网络级联构成。
5.根据权利要求4所述的皮层脑电传导为头皮脑电的电模型，其特征在于，所述8个横向颅骨子网络的空间横向传播电阻网络的阻值互不相同；所述8个横向颅骨子网络的空间纵向传播阻容并联网络的阻值和容值各自互不相同。
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