CN114081512A - 评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，包括：通过声音刺激采集经颅直流电刺激干预前被测者的诱发脑电信号，声音刺激包括标准听觉刺激和偏差听觉刺激；对被测者进行经颅直流电刺激干预；通过声音刺激采集被测者经颅直流电刺激干预后的诱发脑电信号，声音刺激包括标准听觉刺激和偏差听觉刺激；对分别采集的经颅直流电刺激干预前、后被测者的诱发脑电信号进行处理，得到全脑的波幅变化指数和全脑的潜伏期变化指数；根据全脑的波幅变化指数和潜伏期变化指数，评估经颅直流电刺激干预后大脑对听觉信号反应强度的变化。本发明简单易行、成本低廉、安全可靠，便于理解推广，且适用人群广泛，评估过程中对被测者无任何副作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种评估大脑听觉信息加工能力改变情况的方法。特别是涉及一种评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法。
背景技术
经颅直流电刺激(transcranial Direct Current Stimulation,tDCS)是一种新兴的非侵入式脑刺激神经调控技术，具有安全、稳定、无创等诸多优点。其利用不同极性(阳极/阴极)的弱电流(1-2mA)来增加(促进)或减少(抑制)神经突触传递，调节神经元网络活动，是一种重要的脑功能调节手段。目前tDCS对大脑听觉功能调节效果的具体评价手段还十分有限。定量化地监测tDCS的调节效果不仅有助于深刻理解其调节机制，还可对刺激模式、刺激计量等参数的选择与制定提供客观依据，具有重要意义。
脑电信号(electroencephalogram，EEG)是大脑神经元放电在头皮上记录下来的微弱电信号，分为自发脑电信号和诱发脑电信号。失匹配负波(mismatch negative，MMN)是一种检验刺激差异的诱发脑电成分，它是由标准刺激中穿插偏差刺激引出的差异脑电波，出现在刺激差异后的100-250ms，如图1所示。MMN反映了听觉系统对声音差异的自动加工过程，它的产生与是否注意无关，一般出现在大脑的前额叶、颞叶和中央区，能够检测大脑中央听觉的处理功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，为克服现有技术的不足，提供一种有助于深刻理解经颅直流电刺激对大脑功能的神经调节机制的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，包括如下步骤：
步骤1、通过声音刺激采集经颅直流电刺激干预前被测者的诱发脑电信号，所述声音刺激包括标准听觉刺激和偏差听觉刺激；
步骤2、对被测者进行经颅直流电刺激干预；
步骤3、通过声音刺激采集被测者经颅直流电刺激干预后的诱发脑电信号，所述声音刺激包括标准听觉刺激和偏差听觉刺激；
步骤4、对分别采集的经颅直流电刺激干预前、后被测者的诱发脑电信号进行处理，得到全脑的波幅变化指数和全脑的潜伏期变化指数；
步骤5、根据全脑的波幅变化指数和潜伏期变化指数，评估经颅直流电刺激干预后大脑对听觉信号反应强度的变化。
步骤1和步骤3在进行声音刺激时，是根据国际标准导联10-20系统位置安放脑电信号采集电极，具体是在F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、T3、C3、CZ、C4、T4、CPZ位置安放脑电信号采集电极。
步骤1和步骤3中所述的标准听觉刺激和偏差听觉刺激随机出现，共进行800次刺激，其中标准听觉刺激进行700次，偏差听觉刺激进行100次，每相邻两次刺激的时间间隔为600～800ms。
步骤1和步骤3中所述的标准听觉刺激设置为：频率1000Hz，强度60db，持续时间50ms；偏差听觉刺激设置为：频率1500Hz，强度60db，持续时间50ms。
步骤1和步骤3中要求被测者安静、放松、闭眼、正坐于椅子上，等待被测者的脑电波形稳定后开始给予标准听觉刺激和偏差听觉刺激，采集过程持续9分钟。
步骤2所述的经颅直流电刺激干预时，阳极放置在被测者左侧大脑皮层前额叶背外侧区域，即F3导联对应的位置，阴极置于被测者右侧前额眶上区域。
步骤4包括设定经颅直流电刺激干预前被测者的诱发脑电信号为Sr，干预后被测者的诱发脑电信号为So，对干预前诱发脑电信号Sr和干预后诱发脑电信号So分别进行处理；具体步骤如下：
(1)滤波：对干预前诱发脑电信号Sr和干预后诱发脑电信号So进行0.1～40Hz的带通滤波，得到滤波后的干预前诱发脑电信号Sr_f和滤波后的干预后诱发脑电信号So_f；
(2)分段：截取每次声音刺激开始时刻前100ms和后400ms的诱发脑电信号，即[-100 400]范围内的诱发脑电信号作为一段；
(3)去基线：计算每段诱发脑电信号的[-100 0]范围内的平均值作为该段的基线值，然后用该段脑电信号减去该段的基线值，得到去基线后的干预前诱发脑电信号Sr_fc和去基线后的干预后诱发脑电信号So_fc；
(4)叠加平均：分别对Sr_fc和So_fc中相同刺激的诱发脑电信号进行叠加平均，得到干预前标准听觉刺激叠加平均信号Sr_fc_b和干预后标准听觉刺激叠加平均信号So_fc_b，干预前偏差听觉刺激叠加平均信号Sr_fc_p和干预后偏差听觉刺激叠加平均信号So_fc_p；
(5)分别用Sr_fc_p减去Sr_fc_b、用So_fc_p减去So_fc_b，得到干预前后的失匹配负波成分波形，找到失匹配负波的干预前波幅Mr_A和干预后波幅Mo_A、干预前潜伏期Mr_L和干预后潜伏期Mo_L；
(6)根据如下公式(1)和(2)分别计算经颅直流电刺激干预前后各导联波幅和潜伏期变化率ΔAC和ΔLC：
其中，ΔAC表示干预前后各导联波幅变化率；ΔLC表示干预前后各导联潜伏期变化率；C表示各导联，C＝F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、T3、C3、CZ、C4、T4、CPZ；
(7)根据如下公式(3)和(4)得到全脑的波幅和潜伏期变化指数γ_A和γ_L：
其中，γ_A表示全脑波幅变化指数；γ_L表示全脑潜伏期变化指数。
步骤5包括：
波幅变化指数γ_A用于评估经颅直流电刺激干预后大脑对听觉信号反应强度的变化，当波幅变化指数γ_A>0表示大脑对听觉信号反应强度增加，当γ_A<0表示大脑对听觉信号反应强度降低，当γ_A＝0时表示大脑对听觉信号没有调控能力。
潜伏期变化指数γ_L用于评估经颅直流电刺激干预后大脑对听觉信号加工速度的变化，γ_L>0时表示大脑对听觉信号加工速度减慢，当γ_L<0时表示大脑对听觉信号加工速度加快；当γ_L＝0时表示大脑对听觉信号加工速度没有调控能力。
本发明的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，通过失匹配负波成分来检测经颅直流电刺激干预后大脑听觉信息加工能力的变化，为经颅直流电刺激对大脑的听觉功能调节效果提供客观的评价指标。本发明的方法简单易行、成本低廉、安全可靠，便于理解推广，且适用人群广泛，评估过程中对被测者无任何副作用。本发明有助于深刻理解经颅直流电刺激对大脑功能的神经调节机制，对经颅直流电刺激的正确使用提供指导帮助。
附图说明
图1是国际标准导联10-20电极位置安放示意图；
图2是失匹配负波成分示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法做出详细说明。
本发明的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，包括如下步骤：
步骤1)通过声音刺激采集经颅直流电刺激干预前被测者的诱发脑电信号，所述声音刺激包括标准听觉刺激和偏差听觉刺激；
步骤2)对被测者进行经颅直流电刺激干预；所述的经颅直流电刺激干预时，阳极放置在被测者左侧大脑皮层前额叶背外侧区域，即F3导联对应的位置，阴极置于被测者右侧前额眶上区域。
步骤3)通过声音刺激采集被测者经颅直流电刺激干预后的诱发脑电信号，所述声音刺激包括标准听觉刺激和偏差听觉刺激；
上述步骤1和步骤3中：
(1)在进行声音刺激时，是根据如图1所示的国际标准导联10-20系统位置安放脑电信号采集电极，共有32个导联，圈选的为本发明使用的导联，具体是在F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、T3、C3、CZ、C4、T4、CPZ位置安放脑电信号采集电极。
(2)所述的标准听觉刺激和偏差听觉刺激随机出现，共进行800次刺激，其中标准听觉刺激进行700次，偏差听觉刺激进行100次，每相邻两次刺激的时间间隔为600～800ms。
(3)所述的标准听觉刺激设置为：频率1000Hz，强度60db，持续时间50ms；偏差听觉刺激设置为：频率1500Hz，强度60db，持续时间50ms。
(4)要求被测者安静、放松、闭眼、正坐于椅子上，等待被测者的脑电波形稳定后开始给予标准听觉刺激和偏差听觉刺激，采集过程持续9分钟。
步骤4)对分别采集的经颅直流电刺激干预前、后被测者的诱发脑电信号进行处理，得到全脑的波幅变化指数和全脑的潜伏期变化指数；包括：
设定经颅直流电刺激干预前被测者的诱发脑电信号为Sr，干预后被测者的诱发脑电信号为So，对干预前诱发脑电信号Sr和干预后诱发脑电信号So分别进行处理；具体步骤如下：
(1)滤波：对干预前诱发脑电信号Sr和干预后诱发脑电信号So进行0.1～40Hz的带通滤波，得到滤波后的干预前诱发脑电信号Sr_f和滤波后的干预后诱发脑电信号So_f；
(2)分段：截取每次声音刺激开始时刻前100ms和后400ms的诱发脑电信号，即[-100 400]范围内的诱发脑电信号作为一段；
(3)去基线：计算每段诱发脑电信号的[-100 0]范围内的平均值作为该段的基线值，然后用该段脑电信号减去该段的基线值，得到去基线后的干预前诱发脑电信号Sr_fc和去基线后的干预后诱发脑电信号So_fc；
(4)叠加平均：分别对Sr_fc和So_fc中相同刺激的诱发脑电信号进行叠加平均，得到干预前标准听觉刺激叠加平均信号Sr_fc_b和干预后标准听觉刺激叠加平均信号So_fc_b，干预前偏差听觉刺激叠加平均信号Sr_fc_p和干预后偏差听觉刺激叠加平均信号So_fc_p；
(5)分别用Sr_fc_p减去Sr_fc_b、用So_fc_p减去So_fc_b，得到干预前后的失匹配负波成分波形如图2所示，找到失匹配负波的干预前波幅Mr_A和干预后波幅Mo_A、干预前潜伏期Mr_L和干预后潜伏期Mo_L；
(6)根据如下公式(1)和(2)分别计算经颅直流电刺激干预前后各导联波幅和潜伏期变化率ΔAC和ΔLC：
其中，ΔAC表示干预前后各导联波幅变化率；ΔLC表示干预前后各导联潜伏期变化率；C表示各导联，C＝F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、T3、C3、CZ、C4、T4、CPZ；
(7)根据如下公式(3)和(4)得到全脑的波幅和潜伏期变化指数γ_A和γ_L：
其中，γ_A表示全脑波幅变化指数；γ_L表示全脑潜伏期变化指数。
步骤5、根据全脑的波幅变化指数和潜伏期变化指数，评估经颅直流电刺激干预后大脑对听觉信号反应强度的变化；包括：
波幅变化指数γ_A用于评估经颅直流电刺激干预后大脑对听觉信号反应强度的变化，当波幅变化指数γ_A>0表示大脑对听觉信号反应强度增加，当γ_A<0表示大脑对听觉信号反应强度降低，当γ_A＝0时表示大脑对听觉信号没有调控能力。
潜伏期变化指数γ_L用于评估经颅直流电刺激干预后大脑对听觉信号加工速度的变化，γ_L>0时表示大脑对听觉信号加工速度减慢，当γ_L<0时表示大脑对听觉信号加工速度加快；当γ_L＝0时表示大脑对听觉信号加工速度没有调控能力。
本发明的评估经颅直流电刺激对大脑听觉信息加工能力影响程度的方法，通过脑电信号检测经颅直流电刺激后大脑听觉信息加工能力的变化，并通过多导联的参数融合得到可以评估经颅直流电刺激对大脑听觉功能调节效应的定量参数。
下面给出应用实例：
很多精神及心理疾病患者对听觉信息的自动加工能力都存在异常表现，如自闭症、精神分裂症、惊恐障碍等。以自闭症患者为例，它是一种神经发育性疾病，表现为沟通、社交能力受限及重复刻板的行为等。研究表明，这些临床症状与听觉信息加工障碍密切相关。利用本发明可以评估经颅直流电刺激干预前后自闭症患者听觉信息能力的改变情况，对其干预效果进行定量化的评估，便于及时调整经颅直流电干预的参数设置，达到最佳干预效果。同时，有助于理解经颅直流电刺激对大脑的神经调控机制，为临床应用提供帮助。
Claims (8)
1.一种评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、通过声音刺激采集经颅直流电刺激干预前被测者的诱发脑电信号，所述声音刺激包括标准听觉刺激和偏差听觉刺激；
步骤2、对被测者进行经颅直流电刺激干预；
步骤3、通过声音刺激采集被测者经颅直流电刺激干预后的诱发脑电信号，所述声音刺激包括标准听觉刺激和偏差听觉刺激；
步骤4、对分别采集的经颅直流电刺激干预前、后被测者的诱发脑电信号进行处理，得到全脑的波幅变化指数和全脑的潜伏期变化指数；
步骤5、根据全脑的波幅变化指数和潜伏期变化指数，评估经颅直流电刺激干预后大脑对听觉信号反应强度的变化。
2.根据权利要求1所述的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，其特征在于，步骤1和步骤3在进行声音刺激时，是根据国际标准导联10-20系统位置安放脑电信号采集电极，具体是在F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、T3、C3、CZ、C4、T4、CPZ位置安放脑电信号采集电极。
3.根据权利要求1所述的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，其特征在于，步骤1和步骤3中所述的标准听觉刺激和偏差听觉刺激随机出现，共进行800次刺激，其中标准听觉刺激进行700次，偏差听觉刺激进行100次，每相邻两次刺激的时间间隔为600～800ms。
4.根据权利要求1所述的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，其特征在于，步骤1和步骤3中所述的标准听觉刺激设置为：频率1000Hz，强度60db，持续时间50ms；偏差听觉刺激设置为：频率1500Hz，强度60db，持续时间50ms。
5.根据权利要求1所述的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，其特征在于，步骤1和步骤3中要求被测者安静、放松、闭眼、正坐于椅子上，等待被测者的脑电波形稳定后开始给予标准听觉刺激和偏差听觉刺激，采集过程持续9分钟。
6.根据权利要求1所述的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，其特征在于，步骤2所述的经颅直流电刺激干预时，阳极放置在被测者左侧大脑皮层前额叶背外侧区域，即F3导联对应的位置，阴极置于被测者右侧前额眶上区域。
7.根据权利要求1所述的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，其特征在于，步骤4包括设定经颅直流电刺激干预前被测者的诱发脑电信号为Sr，干预后被测者的诱发脑电信号为So，对干预前诱发脑电信号Sr和干预后诱发脑电信号So分别进行处理；具体步骤如下：
(1)滤波：对干预前诱发脑电信号Sr和干预后诱发脑电信号So进行0.1～40Hz的带通滤波，得到滤波后的干预前诱发脑电信号Sr_f和滤波后的干预后诱发脑电信号So_f；
(2)分段：截取每次声音刺激开始时刻前100ms和后400ms的诱发脑电信号，即[-100400]范围内的诱发脑电信号作为一段；
(3)去基线：计算每段诱发脑电信号的[-100 0]范围内的平均值作为该段的基线值，然后用该段脑电信号减去该段的基线值，得到去基线后的干预前诱发脑电信号Sr_fc和去基线后的干预后诱发脑电信号So_fc；
(4)叠加平均：分别对Sr_fc和So_fc中相同刺激的诱发脑电信号进行叠加平均，得到干预前标准听觉刺激叠加平均信号Sr_fc_b和干预后标准听觉刺激叠加平均信号So_fc_b，干预前偏差听觉刺激叠加平均信号Sr_fc_p和干预后偏差听觉刺激叠加平均信号So_fc_p；
(5)分别用Sr_fc_p减去Sr_fc_b、用So_fc_p减去So_fc_b，得到干预前后的失匹配负波成分波形，找到失匹配负波的干预前波幅Mr_A和干预后波幅Mo_A、干预前潜伏期Mr_L和干预后潜伏期Mo_L；
(6)根据如下公式(1)和(2)分别计算经颅直流电刺激干预前后各导联波幅和潜伏期变化率ΔAC和ΔLC：
其中，ΔAC表示干预前后各导联波幅变化率；ΔLC表示干预前后各导联潜伏期变化率；C表示各导联，C＝F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC4、T3、C3、CZ、C4、T4、CPZ；
(7)根据如下公式(3)和(4)得到全脑的波幅和潜伏期变化指数γ_A和γ_L：
其中，γ_A表示全脑波幅变化指数；γ_L表示全脑潜伏期变化指数。
8.根据权利要求1所述的评估经颅直流电刺激对大脑听觉加工能力影响程度的方法，其特征在于，步骤5包括：
波幅变化指数γ_A用于评估经颅直流电刺激干预后大脑对听觉信号反应强度的变化，当波幅变化指数γ_A>0表示大脑对听觉信号反应强度增加，当γ_A<0表示大脑对听觉信号反应强度降低，当γ_A＝0时表示大脑对听觉信号没有调控能力。
潜伏期变化指数γ_L用于评估经颅直流电刺激干预后大脑对听觉信号加工速度的变化，γ_L>0时表示大脑对听觉信号加工速度减慢，当γ_L<0时表示大脑对听觉信号加工速度加快；当γ_L＝0时表示大脑对听觉信号加工速度没有调控能力。
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