CN113289249B - 基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统 - Google Patents

基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统，包括以下步骤：采集T1加权MRI头部影像数据；使用FSL软件对采集的MRI头部影响数据进行组织分割，分割成头皮、头骨、脑脊液、脑灰质、脑白质五部分；将分割的五部分组织进行人工修正；将N个电极紧贴于头皮表面，取各个电极与头皮接触端向上1mm作为导电胶得到带有电极的头模型；对带有电极的头模型进行有限元三角面片化处理；计算出各电极注入单位电流强度时大脑有限元节点处的电场分布矩阵；计算出优化策略。该多目标脑区精确电刺激方法无需反复挪动电电极位置，即可实现多目标脑区精确tDCS的多种刺激，灵活性较强。

Description

基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统
【技术领域】
本发明涉及一种电刺激方法，具体涉及一种基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统。
【背景技术】
经颅直流电刺激(tDCS)是一种利用恒定微小直流电非侵入调控大脑神经元活动的技术，目前对各种脑疾病(脑卒中、癫痫、帕金森病、抑郁症、耳鸣、阿尔茨海默病等)的治疗具有重要的支持作用。其是利用放置在头皮上的电极来注入电流，使神经元静息电位呈现去极化或超极化效应。这种刺激形成的电场很大程度受到个体头部解剖结构和生物物理学的影响，难以在目标脑感兴趣区域(ROI)中获得所需的电流密度场。若采用密集电极阵列对整个头皮全方位覆盖，通过一定的优化策略计算出各电极应注入的电流强度，注入不同大小的电流可以将刺激得到的整体的刺激电场分布限制在ROI中。而大脑功能的实现通常会涉及多个脑区的交互，同时刺激多个不同的脑区可能能够更好地影响特定的大脑功能，鉴于此Dmochowski提出一种基于最小二乘的优化策略，该策略通过头皮各电极记录的EEG信号给与生成这些EEG波形的神经元一定程度的电刺激，但此模式无法指定目标脑区的位置。
【发明内容】
针对上述方法无法指定目标脑曲位置的问题，本发明提供一种基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统。
本发明是通过以下技术方案实现的，提供一种基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统，包括以下步骤：
S1采集T1加权MRI头部影像数据；
S2使用FSL软件对采集的MRI头部影响数据进行组织分割，分割成头皮、头骨、脑脊液、脑灰质、脑白质五部分；
S3将S2分割的五部分组织进行人工修正；
S4将N个电极紧贴于头皮表面，取各个电极与头皮接触端向上1mm作为导电胶得到带有电极的头模型；
S5对带有电极的头模型进行有限元三角面片化处理；
S6使用COMSOL计算出各电极注入单位电流强度时大脑有限元节点处的电场分布矩阵；
S7计算出优化策略。
特别的，所述S4中电极个数N＝64个，所述电极为直径12mm，深度3mm的圆柱形。
特别的，所述S7中优化策略按具体如下方法实施：
S71构建目标函数：
Figure GDA0003719838330000021
于公式(1)中，I为电极电流强度矩阵，E(r)为节点r处的电场强度，d(r)为节点r处的电流密度的期望方向；
S72简化目标函数：
Figure GDA0003719838330000022
于公式(2)中，Wi为第i个脑区的系数矩阵，所述Wi按如下公式进行计算：
Figure GDA0003719838330000023
于公式(3)中，Vm为第m个元素的体积，
Figure GDA0003719838330000024
代表第m个元素内的电流密度期望方向的转置，所述Am按如下公式进行计算：
Am＝[a1(rm)，a2(rm)，…，aN-1(rm)] (4)，
于公式(4)中，a为单位电场分布矩阵，N为电极个数，rm表示第m个元素节点位置。
S73施加刺激前，根据各脑区尺寸对其对应的系数矩阵Wi进行加权，按如下公式进行加权：
Figure GDA0003719838330000031
于公式(5)中，M为目标脑感兴趣区域个数，所述αi按如下公式进行计算：
Figure GDA0003719838330000032
Figure GDA0003719838330000033
于公式(7)中，其中i＝1，2…M；j＝1，2…M。
特别的，所述S7中，对一部分目标脑区施加高强度刺激、另一部分施加低强度刺激时，对公式(6)引入第i个目标脑感兴趣区域所需要刺激强度的加权系数Si，得到如下公式：
Figure GDA0003719838330000034
特别的，所述S7中，为保证电流输入的安全性，需引入安全限制条件，具体如下：
Figure GDA0003719838330000035
于公式(9)中，σ为电导率，E为电场分布矩阵，pmax表示安全限制下的功率最大值，若满足上式条件，
Figure GDA0003719838330000041
表示电流安全，
Figure GDA0003719838330000042
表示目标脑感兴趣区域外剩余脑区接受的刺激总功率小于最大允许功率，对
Figure GDA0003719838330000043
进行数值逼近，得到如下公式：
Figure GDA0003719838330000044
Figure GDA0003719838330000045
当需要给每个目标脑区施加相同的刺激强度时，按如下公式约束结果精度：
std([W1I，W2I，…，WMI])＜s0 (12)。
特别的，所述S7中，当需要给一部分目标脑区施加高强度刺激、另一部分施加低强度刺激时，加入电流分布约束条件，约束条件如下：
Figure GDA0003719838330000046
本发明提供一种基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统，其可仿真实现多目标脑区精确的tDCS的多种刺激模式，可将电场分布很好的限制在ROI中，无需反复挪动电极位置，具有灵活性强，刺激电流安全、精确的优点。
【附图说明】
图1为本发明基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统的流程图；
图2为采用本发明基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统得到的带有电极的头模型；
图3为采用本发明基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统脑部得到强度等级相似刺激的仿真效果图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统，包括以下步骤：
S1采集T1加权MRI头部影像数据；
S2使用FSL软件对采集的MRI头部影响数据进行组织分割，分割成头皮、头骨、脑脊液、脑灰质、脑白质五部分；
S3使用simpleware软件将S2分割的五部分组织进行人工修正；
S4将64个直径12mm，深度3mm的圆柱形的电极紧贴于头皮表面，取各个电极与头皮接触端向上1mm作为导电胶得到带有电极的头模型，如图2；
S5使用simpleware软件对带有电极的头模型进行有限元三角面片化处理；
S6使用COMSOL计算出各电极注入单位电流强度时大脑有限元节点处的电场分布矩阵；
S7基于MATLAB软件使用interior-point搜索算法计算出优化策略。
特别的，所述S7中优化策略按具体如下方法实施：
S71构建目标函数：
Figure GDA0003719838330000051
于公式(1)中，I为电极电流强度矩阵，E(r)为节点r处的电场强度，d(r)为节点r处的电流密度的期望方向；
S72简化目标函数：
Figure GDA0003719838330000061
于公式(2)中，Wi为第i个脑区的系数矩阵，所述Wi按如下公式进行计算：
Figure GDA0003719838330000062
于公式(3)中，Vm为第m个元素的体积，
Figure GDA0003719838330000063
代表第m个元素内的电流密度期望方向的转置，所述Am按如下公式进行计算：
Am＝[a1(rm)，a2(rm)，…，aN-1(rm)] (4)，
于公式(4)中，a为单位电场分布矩阵，N为电极个数，rm表示第m个元素节点位置；
S73施加刺激前，根据各脑区尺寸对其对应的系数矩阵Wi进行加权，按如下公式进行加权：
Figure GDA0003719838330000064
于公式(5)中，M为目标脑感兴趣区域个数，所述αi按如下公式进行计算：
Figure GDA0003719838330000065
Figure GDA0003719838330000066
于公式(7)中，其中i＝1，2…M；j＝1，2…M。
特别的，所述S7中，对一部分目标脑区施加高强度刺激、另一部分施加低强度刺激时，对公式(6)引入第i个目标脑感兴趣区域所需要刺激强度的加权系数Si，得到如下公式：
Figure GDA0003719838330000071
特别的，所述S7中，为保证电流输入的安全性，需引入安全限制条件，具体如下：
Figure GDA0003719838330000072
于公式(9)中，σ为电导率，E为电场分布矩阵，pmax表示安全限制下的功率最大值。若满足上式条件，
Figure GDA0003719838330000073
表示电流安全，
Figure GDA0003719838330000074
表示目标脑感兴趣区域外剩余脑区接受的刺激总功率小于最大允许功率，对
Figure GDA0003719838330000075
进行数值逼近，得到如下公式：
Figure GDA0003719838330000076
Figure GDA0003719838330000077
当需要给每个目标脑区施加相同的刺激强度时，按如下公式约束结果精度：
std([W1I，W2I，…，WMI])＜s0 (12)。
特别的，所述S7中，当需要给一部分目标脑区施加高强度刺激、另一部分施加低强度刺激时，加入电流分布约束条件，约束条件如下：
Figure GDA0003719838330000078
综上所述，当需要给每个ROI施加相同或相似强度的刺激时，基于密集电极阵列的多目标脑区tDSC整体的优化策略①为：
Figure GDA0003719838330000081
优化策略①可以将各个目标脑区分配到的刺激强度之间的差异控制在一个很小的合理的范围内。
当需要给一部分目标脑区较高强度的刺激，另一部分目标脑区较低强度的刺激时，基于密集电极阵列的多目标脑区tDSC整体的优化策略②为：
Figure GDA0003719838330000082
以下通过一实施例对本发明进行解释说明，选用基于AAL模板的脑区为例，选取三个ROI——左侧额上回(SFG)，右侧中央前回(PreCG)和左侧枕中回(MOG)，如表1所示，仿真实现多目标脑区精确tDCS优化方法。
表1
Figure GDA0003719838330000091
当使用优化策略①时，计算出三个脑区的均衡化系数αi，标准化后得到权值为1∶1.1595∶1.4411，仿真优化得到结果，如图3所示，经过图3第一列可知三个ROI得到了强度等级相似的刺激；在此基础上，给αi分别乘以[0.6，0.3，0.3]，[0.3，0.6，0.3]，[0.3，0.3，0.6]时，使用优化策略②进行优化，SFG脑区，PreCG脑区以及MOG脑区中其中一个脑区将得到较低强度等级的刺激，其余两个脑区将会得到较高强度等级的刺激，如图3第二列至第四列所示。

Claims (2)

1.基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1采集T1加权MRI头部影像数据；
S2使用FSL软件对采集的MRI头部影响数据进行组织分割，分割成头皮、头骨、脑脊液、脑灰质、脑白质五部分；
S3将S2分割的五部分组织进行人工修正；
S4将N个电极紧贴于头皮表面，取各个电极与头皮接触端向上1mm作为导电胶得到带有电极的头模型；
S5对带有电极的头模型进行有限元三角面片化处理；
S6使用COMSOL计算出各电极注入单位电流强度时大脑有限元节点处的电场分布矩阵；
S7计算出优化策略，其按具体如下方法实施：
S71构建目标函数：
Figure FDA0003719838320000011
于公式(1)中，I为电极电流强度矩阵，E(r)为节点r处的电场强度，d(r)为节点r处的电流密度的期望方向；
S72简化目标函数：
Figure FDA0003719838320000012
于公式(2)中，Wi为第i个脑区的系数矩阵，所述Wi按如下公式进行计算：
Figure FDA0003719838320000013
于公式(3)中，Vm为第m个元素的体积，
Figure FDA0003719838320000014
为第m个元素内的电流密度期望方向的转置，所述Am按如下公式进行计算：
Am＝[a1(rm)，a2(rm)，…，aN-1(rm)] (4)，
于公式(4)中，a为单位电场分布矩阵，N为电极个数，rm为第m个元素节点位置；
S73施加刺激前，根据各脑区尺寸对其对应的系数矩阵Wi进行加权，按如下公式进行加权：
Figure FDA0003719838320000021
于公式(5)中，M为目标脑感兴趣区域个数，所述αi按如下公式进行计算：
Figure FDA0003719838320000022
Figure FDA0003719838320000023
于公式(7)中，其中i＝1，2…M；j＝1，2…M；
对一部分目标脑区施加高强度刺激、另一部分施加低强度刺激时，对公式(6)引入第i个目标脑感兴趣区域所需要刺激强度的加权系数Si，得到如下公式：
Figure FDA0003719838320000024
为保证电流输入的安全性，需引入安全限制条件，具体如下：
Figure FDA0003719838320000025
于公式(9)中，σ为电导率，E为电场分布矩阵，pmax表示安全限制下的功率最大值，若满足上式条件，
Figure FDA0003719838320000031
表示电流安全，
Figure FDA0003719838320000032
表示目标脑感兴趣区域外剩余脑区接受的刺激总功率小于最大允许功率，对
Figure FDA0003719838320000033
进行数值逼近，得到如下公式：
Figure FDA0003719838320000034
Figure FDA0003719838320000035
当需要给每个目标脑区施加相同的刺激强度时，按如下公式约束结果精度：
std([W1I，W2I，…，WMI])＜s0 (12)，
当需要给一部分目标脑区施加高强度刺激、另一部分施加低强度刺激时，加入电流分布约束条件，约束条件如下：
Figure FDA0003719838320000036
2.根据权利要求1所述的基于密集电极阵列的多目标脑区精确电刺激系统，其特征在于，所述S4中电极个数N＝64个，所述电极为直径12mm，深度3mm的圆柱形。
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Optimized tDCS for Targeting Multiple Brain Regions: An Integrated Implementation;Yu Huang等;《2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)》;20181029;第3545-3548页 *

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CN113289249A (zh) 2021-08-24

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