CN111973180A - 一种基于meg和eeg融合的脑结构成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统及方法。该系统主要包括：磁屏蔽房、脑磁测量模块、脑电测量模块、数据同步及采集模块以及结构成像模块。基于MEG和EEG融合的脑结构成像方法同时采集人的MEG(脑磁信号)以及EEG(脑电信号)，由于脑磁信号不受大脑各组织结构电导率的影响，而脑电信号受大脑各组织结构电导率的影响，因此根据两者的差异，可以得到与电导率有关的脑结构像。具体步骤为根据采集到的脑磁信号，得到大脑中活动源的情况，根据得到的大脑源计算各脑电电极应接收到的电势，同实际采集的各电极值比较。通过不断修改脑内各部分结构大小，多次计算直至两者差异达到设定值。此时脑内各部分结构的大小即为测量所得到的大脑结构。

Description

一种基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统和方法

技术领域

本发明涉及结构成像领域中的脑结构成像系统和方法，具体涉及一种基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统和方法。

背景技术

人类脑功能及结构的研究是目前科学研究的热门领域。人脑中含有大量神经细胞，神经活动会产生电磁场，现有的脑电(EEG)及脑磁(MEG)测量设备可以探测脑表的电磁场信息。MEG以及EEG具有无创、响应快速的特点，但是目前这两项技术分别用于功能成像，不能反映结构信息。现有的传统结构成像是CT及核磁共振技术(MRI)。CT辐射较大，对人体有一定的危害。核磁共振技术需要外加磁场，体内有金属结构等人群无法进行该项检查，如体内含有心脏起搏器，骨科手术植入钢钉等；除此外核磁共振在采集数据时，被试需躺入密封环境，同时采集过程中噪声较大，容易导致被试产生不适感。

由于脑磁信号不受大脑各组织结构电导率的影响，而脑电信号受大脑各组织结构电导率的影响，因此根据两者的差异，可以得到与电导率有关的脑结构像。事实上，将脑表的磁场与电场信息相结合，可以反映一定的大脑结构信息，本发明提出一种基于MEG和EEG融合的被动的，适应各类人群的脑结构成像系统和方法。

发明内容

本发明技术解决的问题：克服核磁共振技术对于体内任何部位有金属的被试无法进行检查以及CT技术对人体辐射较大存在危害的缺点，提供一种基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统及方法，对于非头部含有金属结构被试均可进行结构成像，身体中其他部位含有金属结构对该方法影响较小，可满足体内含有金属结构被试(非头部含有金属)进行脑结构成像的需求，且对人体无辐射。

本发明技术解决方案：一种基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统，包括：磁屏蔽房、脑磁测量模块、脑电测量模块、数据同步及采集模块以及结构成像模块；磁屏蔽房用于屏蔽地球环境磁场；脑电测量模块和脑磁测量模块均放置在磁屏蔽房内，分别用于测量脑电和脑磁信号；脑电测量模块和脑磁测量模块测量到的信号经数据同步及采集模块输出到结构成像模块进行成像，所述结构成像模块使用基于MEG和EEG融合的脑结构成像方法实现。

所述结构成像模块，使用基于MEG和EEG融合的脑结构成像过程如下：

被试佩戴泳帽遮挡头发，光学扫描获得头轮廓信息；

光学扫描记录脑电电极以及磁场测量传感器在头部的位置；

保持头部不动，同步记录一段时间的脑电及脑磁信号；

脑磁信号求解得到大脑源活动位置；

根据预设的大脑模板结构计算各电极位置理论值；

将上步的理论值同实际测得的电极值比较，改变预设的模板结构形状，多次迭代直至两者差值小于设定值。

所述光学扫描记录脑电电极以及磁场测量传感器在头部的位置步骤为：同时佩戴脑电及脑磁测量设备，通过光学扫描设备获得含有脑电电极及磁场测量传感器的三维图像，对其手动提取位置点信息，获得脑电电极以及磁场测量传感器相对头部的实际位置信息。

所述的大脑模板分为三部分：头皮，颅骨，大脑。头皮轮廓为通过光学扫描获得的实际轮廓，颅骨及大脑结构采用模板结构。

本发明一种基于MEG和EEG融合的脑结构成像方法，包括以下步骤：

第一步，根据采集到的脑磁信号，利用模板脑模型，采用单壳建模方法，建立源到传感器的传导关系：F(r，s，g)，r为传感器位置，s为源位置，g为模板脑的几何结构信息；

传感器上得到的测量信号为M，采用波束形成器的方法求解源信号位置，如下所示：

C(y)表示对y求方差，y为空间滤波器的输出，tr表示求迹，w为空间滤波器，根据拉格朗日算子可求得滤波器为w(s)＝[F^T(s)C^-1(M)F(s)]^-1F^T(s)C^-1(M)；因此可计算出源空间各位置的源能量：P(s)＝tr{[F^T(s)C^-1(M)F(s)]^-1}；根据求得的能量值大小，获得活动源中心的位置s；

第二步，利用上述求解的源活动位置，根据预设的大脑三层模板构建脑电传导的正向模型：Φ(e，s，c)，其中，e为脑电电极位置，s为大脑内活动源位置，c为预设的大脑三层模型的几何结构信息；

第三步，通过对几何结构进行修改，调整源所对应的电势传导模型Φ，直到脑电测量值E和电势理论值Φ的差值小于等于设定的阈值Q，如下式所示：

此时所对应的几何结构即为本方法获得的大脑几何结构成像结果。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)相比于核磁共振技术，可满足体内含有金属结构被试(非头部含有金属结构)对脑结构成像的需求；数据采集过程安静无噪声，不易引起被试不适；数据采集过程在房间中进行，无需在狭小封闭环境中进行，不易引起被试不适，可满足幽闭恐惧症。

(2)相比于CT技术，对人体无辐射，无任何危害。

本发明首次提出一种基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统和方法，是全新的脑结构成像方法，借助计算机技术实现模型更新及最终成像，方法简便且能够克服现有技术的不足，成为脑结构成像的辅助技术。

附图说明

图1为MEG和EEG融合脑结构成像方法流程图；

图2为MEG和EEG融合脑结构成像系统示意图，图中：磁屏蔽房1、脑磁测量模块2、脑电测量模块3、数据同步及采集模块4、结构成像模块5。

图3为大脑内细胞产生磁场，电场示意图；

图4为大脑内MEG、EEG信号传导示意图；

图5为大脑模板结构示意图，图中：大脑6，颅骨7，头皮8；

图6为MEG求解源活动单壳模型示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

本发明描述的一种基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统和方法。

如图1、2所示，该系统主要包括：磁屏蔽房1、脑电测量模块3、脑磁测量模块2、数据同步及采集模块4以及结构成像模块5。如图3所示，大脑内细胞的活动会产生细胞膜内外电势的变化从而产生电磁场，脑内电磁场的传导如图4所示。

如图1所示，基于MEG和EEG的融合结构成像系统主要包括以下步骤：

第一步，被试佩戴泳帽遮挡头发，光学扫描获得头轮廓信息，作为后续计算过程中大脑结构模型中的头皮8。

第二步，同时佩戴脑电及脑磁测量设备，通过光学扫描设备获得含有脑电电极及磁场测量传感器的三维图像，对其手动提取位置点信息，获得脑电电极以及磁场测量传感器相对头部的实际位置信息。

第三步，保持头部不动，同步记录一段时间的脑电及脑磁信号。

第四步，根据采集到的脑磁信号，利用模板脑模型如图5所示，采用单壳建模方法如图6所示，建立源到传感器的传导关系：F(r，s，g)。其中，r为传感器位置，s为源位置，g为模板脑的几何结构信息；传感器上得到的测量信号为M，采用波束形成器的方法求解源信号位置，如下所示：

C(y)表示对y求方差y为空间滤波器的输出，tr表示求迹，w为空间滤波器，根据拉格朗日算子可求得滤波器为w(s)＝[F^T(s)C^-1(M)F(s)]^-1F^T(s)C^-1(M)；因此可计算出源空间各位置的源能量：P(s)＝tr{[F^T(s)C^-1(M)F(s)]^-1}；根据求得的能量值大小，获得活动源中心的位置s。

第五步，利用上述求解的源活动位置，由大脑内的源去求解脑外固定位置处的电势。由于脑电信号在大脑内的传导受电导率以及大脑结构影响较大，因此对脑电信号的计算采用如图5所示的三层结构，头皮8为前一步骤中实际获取的轮廓，颅骨7及大脑6形状采用标准人脑结构作为模板，为后续模型调整及计算提供基础。计算方法采用的是借助格林定理将描述导体内电势分布转化为电磁介质交界面上的积分方程，对三层结构的三个交界面进行三角面元划分，采用Gauss-Seidel迭代算法分层计算最终得到各个电极上理论的电势值。根据预设的大脑三层模板构建脑电传导的正向模型：Φ(e，s，c)。其中，e为脑电电极位置，s为大脑内活动源位置，c为预设的大脑三层模型的几何结构信息。

第六步，通过对几何结构进行修改，调整源所对应的电势传导模型Φ，直到脑电测量值E和电势理论值Φ的差值小于等于某一设定阈值Q，如下式所示：

此时所对应的几何结构即为本方法获得的大脑几何结构成像结果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统，其特征在于，包括：磁屏蔽房、脑磁测量模块、脑电测量模块、数据同步及采集模块以及结构成像模块；磁屏蔽房用于屏蔽地球环境磁场；脑电测量模块和脑磁测量模块均放置在磁屏蔽房内，分别用于测量脑电和脑磁信号；脑电测量模块和脑磁测量模块测量到的信号经数据同步及采集模块输出到结构成像模块进行成像，所述结构成像模块使用基于MEG和EEG融合的脑结构成像方法实现。

2.根据权利要求1所述的基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统，其特征在于，所述结构成像模块，使用基于MEG和EEG融合的脑结构成像过程如下：

被试佩戴泳帽遮挡头发，光学扫描获得头部轮廓信息；

光学扫描记录脑电电极以及磁场测量传感器在头部的位置；

保持头部不动，同步记录一段时间的脑电及脑磁信号；

脑磁信号求解得到大脑源活动位置；

根据预设的大脑模板结构计算各电极位置理论值；

将上步的理论值同实际测得的电极值比较，改变预设的模板结构形状，多次迭代直至两者差值小于设定值。

3.根据权利要求2所述的基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统，其特征在于，所述光学扫描记录脑电电极以及磁场测量传感器在头部的位置步骤为：同时佩戴脑电及脑磁测量设备，通过光学扫描设备获得含有脑电电极及磁场测量传感器的三维图像，对其手动提取位置点信息，获得脑电电极以及磁场测量传感器相对头部的实际位置信息。

4.根据权利要求2所述的基于MEG和EEG融合的脑结构成像系统，其特征在于，所述的大脑模板分为三部分：头皮，颅骨，大脑；头皮轮廓为通过光学扫描获得的实际轮廓，颅骨及大脑结构采用模板结构。

5.一种基于MEG和EEG融合的脑结构成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据采集到的脑磁信号，利用模板脑模型，采用单壳建模方法，建立源到传感器的传导关系：F(r，s，g)，r为传感器位置，s为源位置，g为模板脑的几何结构信息；

传感器上得到的测量信号为M，采用波束形成器的方法求解源信号位置，如下所示：

C(y)表示对y求方差，y为空间滤波器的输出，tr表示求迹，w为空间滤波器，根据拉格朗日算子可求得滤波器为w(s)＝[F^T(s)C^-1(M)F(s)]^-1F^T(s)C^-1(M)；计算出源空间各位置的源能量：P(s)＝tr{[F^T(s)C^-1(M)F(s)]^-1}。根据求得的能量值大小，获得活动源中心的位置s；

第二步，利用上述求解的活动源中心位置，根据预设的大脑三层模板构建脑电传导的正向模型：Φ(e，s，c)，其中，e为脑电电极位置，s为大脑内活动源位置，c为预设的大脑三层模型的几何结构信息；

第三步，通过对几何结构进行修改，调整源所对应的电势传导模型Φ，直到脑电测量值E和电势理论值Φ的差值小于等于设定的阈值Q，如下式所示：

此时所对应的几何结构即为获得的大脑几何结构成像结果。

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