CN115721861B - 一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法 - Google Patents

一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115721861B
CN115721861B CN202211559511.8A CN202211559511A CN115721861B CN 115721861 B CN115721861 B CN 115721861B CN 202211559511 A CN202211559511 A CN 202211559511A CN 115721861 B CN115721861 B CN 115721861B
Authority
CN
China
Prior art keywords
stimulation
coil
target area
brain
regulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202211559511.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115721861A (zh
Inventor
闫天翼
康安顺
闫子龙
张建旭
石忠焱
张健
刘田田
索鼎杰
裴广盈
吴景龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN202211559511.8A priority Critical patent/CN115721861B/zh
Publication of CN115721861A publication Critical patent/CN115721861A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115721861B publication Critical patent/CN115721861B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Magnetic Treatment Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法,包括:获取磁刺激调控对象的结构性磁共振影像数据,基于结构性核磁共振影像数据构建有限元仿真模型;获取调控对象的7T功能核磁共振影像数据,基于7T功能核磁共振影像数据确定磁刺激的调控靶区,并结合有限元仿真模型构建颅脑神经模型;根据调控靶区、颅脑神经模型,进行磁刺激线圈匹配,获得最优匹配线圈类型,根据最优匹配线圈类型进行局部优化,完成线圈位置、线圈角度与线圈刺激强度的优化,实现刺激靶区的精准调控。本发明提高了刺激的精准度与有效性。

Description

一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法
技术领域
本发明涉及神经调控技术领域,特别是涉及一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法。
背景技术
深部脑刺激(DBS,Deep Brain Stimulation)具有调控效果明显的优势,但是由于其手术有创并伴随着一定程度的并发症,导致其应用推广受限。经颅磁刺激(TMS,Transcranial Magnetic Stimulation)因其在功能方面具有无创、操作简便及副作用低等特征,受到了研究者们的持续关注,随着技术的愈发成熟,其在神经病学、精神病学、康复学、心理认知科学和运动医学领域有了更多方向的应用。
经颅磁刺激通过在体外产生脉冲磁场对大脑进行刺激,磁场与电场相比具有较好穿透性,当磁场穿过外层组织作用在神经组织上时,变化的磁场会引起皮层神经细胞的膜电位产生变化,进而产生感应电流来对目标区域施加刺激。
经颅磁刺激的作用机制与多个参数具有相关性,如刺激强度、线圈形状、线圈位置与方向等。由于脑在结构及功能上的个体化差异,使得线圈放置位置相同时调控效果差异较大,颅脑有限元仿真与个体化脑功能图谱的出现,使得对于相同的功能靶区优化所需要的电磁刺激的线圈与线圈参数成为可能。
脑功能图谱作为脑地图为精准聚焦刺激提供了靶向导航,灰质不同层的神经元分布不同,导致各层功能各有差异,7T功能性磁共振影像的出现使得脑图谱能够精细化到皮层的介观分层,现有的经颅磁刺激只是在宏观层面针对皮层进行优化,忽略了不同功能层的作用,更精细的分层优化会带来更聚焦的个体化调控效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法,以解决上述现有技术中存在的问题,实现脑图谱的高聚焦精准调控。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法,包括:
获取磁刺激调控对象的结构性磁共振影像数据,基于所述结构性核磁共振影像数据构建有限元仿真模型;
获取所述调控对象的7T功能核磁共振影像数据,基于所述7T功能核磁共振影像数据确定磁刺激的调控靶区,并结合所述有限元仿真模型构建颅脑神经模型;
根据所述调控靶区、所述颅脑神经模型,进行磁刺激线圈匹配,获得最优匹配线圈类型,根据所述最优匹配线圈类型进行局部优化,完成线圈位置、线圈角度与线圈刺激强度的优化,实现刺激靶区的精准调控。
优选地,构建所述有限元仿真模型,包括:
对所述结构性磁共振影像数据进行分割,获得脑组织模板;基于所述脑组织模板进行三维脑组织重构,获得所述有限元仿真模型。
优选地,对所述结构性磁共振影像数据进行分割,包括:
基于组织概率模型分割,分别得到头皮、颅骨、脑脊液、灰质、白质、小脑、脑室的脑组织模板。
优选地,确定所述磁刺激的调控靶区,包括:
基于所述7T功能核磁共振影像数据绘制脑功能图谱,根据所述脑功能图谱确定所述磁刺激的调控靶区。
优选地,构建所述颅脑神经模型,包括:
基于所述调控靶区位置对每个被试的皮层依照功能进行层划分,获得个体化的精细功能分层;
基于不同的精细功能分层,融入解剖学先验知识,对每层所述精细功能分层赋予神经元模型与神经元数量,耦合所述有限元仿真模型,构建所述颅脑神经模型。
优选地,获得所述最优匹配线圈类型,包括:
根据所述调控靶区、所述颅脑神经模型,进行磁刺激线圈的匹配,并在所述调控靶区的位置通过最大化靶区内电场的最大值,评估所述磁刺激线圈在靶区的聚焦程度,筛选所述匹配的线圈类型,获得所述最优匹配线圈类型。
优选地,实现所述刺激靶区的精准调控,包括:
根据所述最优匹配线圈类型,调整所述线圈的刺激强度、相对于头皮的角度与位置,通过聚焦函数进行评估,实现对皮层特定功能层的聚焦刺激,完成所述刺激靶区的精准调控。
本发明的有益效果为:
本发明公开一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法,基于7T功能磁共振影像在宏观层面进行个体化脑图谱绘制,在介观层面进行靶区灰质的精细功能分层,融合解剖学先验知识赋予各层次不同的神经元模型,最终耦合神经元模型与颅脑仿真模型得到高精度高生物还原性的颅脑神经模型。基于个体化脑图谱确定宏观靶区与介观靶区的位置,通过颅脑模型完成经颅磁刺激颅内感应电场的仿真计算,得到靶区神经元的激活程度,从而实时指导线圈放置,将最大感应电场聚焦在靶区层,完成线圈类型、线圈位置、线圈角度与线圈刺激强度的优化,提高刺激的精准度与有效性,实现靶区的精准刺激调控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法整体流程图;
图2为本发明实施例的面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法,整体流程如图1所示,具体流程如图2所示,以fMRI进行靶区的个体化定位与靶区位置的精细功能分层,以sMRI构建个体化有限元仿真模型,耦合分层神经元与有限元仿真模型,进行经颅磁刺激优化,实现刺激靶区的精准调控,以磁刺激调控对象的异常功能区为调控靶区,实现高聚焦的经颅磁刺激,包括以下步骤:
S1:获取磁刺激调控对象的结构性磁共振影像数据,分割得到脑组织模板并进三维脑组织重构;
S2:获取磁刺激调控对象的7T功能磁共振影像,在宏观层面进行个体化脑图谱构建,在介观层面对刺激靶区进行精细功能分层,对各个分层融合解剖学先验知识赋予各层次不同的神经元模型;
S3:磁刺激的靶区确定后,针对靶区进行线圈优化匹配最优的线圈类型;
S4:根据所匹配的线圈类型进行局部优化,完成线圈位置、线圈角度与线圈刺激强度的优化,实现刺激靶区的精准调控;
在步骤S1中,具体包括:对结构性磁共振影像数据(T1与T2),基于组织概率模型分割得到头皮、颅骨、脑脊液、灰质、白质、小脑、脑室的脑组织模板,并对其进行三维重构,进行有限元网格划分实现有限元仿真模型的构建;
在步骤S2中,获取磁刺激调控对象的7T功能性磁共振影像数据后,基于被试的功能性磁共振影像数据进行脑功能图谱的绘制,根据脑功能图谱确定异常功能区的位置,实现宏观层面的靶区定位。对被试进行对应的刺激任务,在宏观靶区位置对每个被试的皮层进行层划分,得到个体化的精细功能分层,同时对于不同的分层,融入解剖学先验知识,对每层功能分层赋予神经元模型与神经元数量,耦合有限元仿真模型实现高精度高生物还原性的颅脑神经模型的构建,根据异常功能层进行介观靶区的定位;
在步骤S3中,根据选定的介观靶区,基于构建的颅脑神经模型与有限元方法,通过求解麦克斯韦方程得到感应电场,将感应电场作为神经元的激活输入计算不同层的激活程度,首先进行磁刺激线圈的匹配,在相同位置通过最大化靶区内电场的最大值max(Ein)来评估线圈在靶区的聚焦程度,从而筛选最适合靶区层的线圈类型;其中,在相同的靶区位置,在靶区上方相同的位置放置不同类型的线圈,在靶区位置比较靶区电场的最大值,将最大值最大的线圈作为所筛选的最匹配线圈类型。
在步骤S4中,基于构建的颅脑神经模型,根据选定的刺激靶区层与线圈类型,调整线圈的刺激强度、相对于头皮的角度与位置,在最大化靶区内外电场最大值的比值的同时,最大化靶区内的电场({max(Ein/Eout),max(Ein)}),实现对皮层特定靶区层的聚焦刺激,达到靶区的精准调控。
根据所述最优匹配线圈类型,调整所述线圈的刺激强度、相对于头皮的角度与位置,通过聚焦函数进行评估,实现对皮层特定功能层的聚焦刺激,完成所述刺激靶点的精准调控。
聚焦评估标准:1.最大化靶区电场(max(Ein));2.最大化靶区内电场最大值/靶点外电场最大值(max(Ein/Eout));3.最大化靶点区域有效刺激区域(靶区内最大感应电场75%以上的区域)的占比;4.最大化靶点层的神经元激活占比。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述,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 (4)

1.一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法,其特征在于,包括:
获取磁刺激调控对象的结构性磁共振影像数据,基于所述结构性核磁共振影像数据构建有限元仿真模型;
获取所述调控对象的7T功能核磁共振影像数据,基于所述7T功能核磁共振影像数据确定磁刺激的调控靶区,并结合所述有限元仿真模型构建颅脑神经模型;
构建所述颅脑神经模型,包括:
基于所述调控靶区位置对每个被试的皮层依照功能进行层划分,获得个体化的精细功能分层;
基于不同的精细功能分层,融入解剖学先验知识,对每层所述精细功能分层赋予神经元模型与神经元数量,耦合所述有限元仿真模型,构建所述颅脑神经模型;
根据所述调控靶区、所述颅脑神经模型,进行磁刺激线圈匹配,获得最优匹配线圈类型,根据所述最优匹配线圈类型进行局部优化,完成线圈位置、线圈角度与线圈刺激强度的优化,实现刺激靶区的精准调控;
获得所述最优匹配线圈类型,包括:
根据所述调控靶区、所述颅脑神经模型,进行磁刺激线圈的匹配,并在所述调控靶区的位置通过最大化靶区内电场的最大值,评估所述磁刺激线圈在靶区的聚焦程度,筛选所述匹配的线圈类型,获得所述最优匹配线圈类型;
实现所述刺激靶区的精准调控,包括:
根据所述最优匹配线圈类型,调整所述线圈的刺激强度、相对于头皮的角度与位置,通过聚焦函数进行评估,实现对皮层特定功能层的聚焦刺激,完成所述刺激靶区的精准调控。
2.根据权利要求1所述的面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法,其特征在于,构建所述有限元仿真模型,包括:
对所述结构性磁共振影像数据进行分割,获得脑组织模板;基于所述脑组织模板进行三维脑组织重构,获得所述有限元仿真模型。
3.根据权利要求2所述的面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法,其特征在于,对所述结构性磁共振影像数据进行分割,包括:
基于组织概率模型分割,分别得到头皮、颅骨、脑脊液、灰质、白质、小脑、脑室的脑组织模板。
4.根据权利要求1所述的面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法,其特征在于,确定所述磁刺激的调控靶区,包括:
基于所述7T功能核磁共振影像数据绘制脑功能图谱,根据所述脑功能图谱确定所述磁刺激的调控靶区。
CN202211559511.8A 2022-12-06 2022-12-06 一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法 Active CN115721861B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211559511.8A CN115721861B (zh) 2022-12-06 2022-12-06 一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211559511.8A CN115721861B (zh) 2022-12-06 2022-12-06 一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115721861A CN115721861A (zh) 2023-03-03
CN115721861B true CN115721861B (zh) 2024-01-23

Family

ID=85300358

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211559511.8A Active CN115721861B (zh) 2022-12-06 2022-12-06 一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115721861B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117731946A (zh) * 2023-12-19 2024-03-22 北京理工大学 一种靶向大脑主从功能状态的个体化刺激控制系统及方法
CN117808040B (zh) * 2024-03-01 2024-05-14 南京信息工程大学 一种基于脑图的低遗忘热点事件预测方法及装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104063565A (zh) * 2014-07-21 2014-09-24 中国医学科学院生物医学工程研究所 一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型
CN104123416A (zh) * 2014-07-21 2014-10-29 中国医学科学院生物医学工程研究所 一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型
CN107812313A (zh) * 2017-11-23 2018-03-20 安徽安壹心理咨询有限公司 经颅磁刺激靶点定位方法
CN109171726A (zh) * 2018-08-16 2019-01-11 浙江大学 红外神经刺激诱导全脑功能磁共振高分辨率成像方法
CN111249622A (zh) * 2020-01-17 2020-06-09 上海市精神卫生中心(上海市心理咨询培训中心) 基于增强现实的精准经颅磁刺激在线导航方法
CN112494810A (zh) * 2020-09-17 2021-03-16 杭州师范大学 多刺激靶点聚焦的重复经颅磁刺激方法
WO2022033039A1 (zh) * 2020-08-14 2022-02-17 北京航空航天大学 一种神经光电组合刺激装置及方法
CN114146315A (zh) * 2021-12-31 2022-03-08 湖南华医电磁医学研究院有限公司 一种经颅磁刺激系统和方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104063565A (zh) * 2014-07-21 2014-09-24 中国医学科学院生物医学工程研究所 一种用于深部磁刺激研究的真实人体头部有限元模型
CN104123416A (zh) * 2014-07-21 2014-10-29 中国医学科学院生物医学工程研究所 一种模拟真实人体颅脑电特性分布的有限元仿真模型
CN107812313A (zh) * 2017-11-23 2018-03-20 安徽安壹心理咨询有限公司 经颅磁刺激靶点定位方法
CN109171726A (zh) * 2018-08-16 2019-01-11 浙江大学 红外神经刺激诱导全脑功能磁共振高分辨率成像方法
CN111249622A (zh) * 2020-01-17 2020-06-09 上海市精神卫生中心(上海市心理咨询培训中心) 基于增强现实的精准经颅磁刺激在线导航方法
WO2022033039A1 (zh) * 2020-08-14 2022-02-17 北京航空航天大学 一种神经光电组合刺激装置及方法
CN112494810A (zh) * 2020-09-17 2021-03-16 杭州师范大学 多刺激靶点聚焦的重复经颅磁刺激方法
CN114146315A (zh) * 2021-12-31 2022-03-08 湖南华医电磁医学研究院有限公司 一种经颅磁刺激系统和方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Effect of transcranial magnetic stimulation as an enhancer of cognitive stimulation sessions on mild cognitive impairment: Preliminary results;Roque Roque GY et al;《Psychiatry Research》;第304卷;1-8 *
经颅磁刺激个性化感应电场建模与预测的研究;李渔樵;《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊)》;第2022卷(第01期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115721861A (zh) 2023-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115721861B (zh) 一种面向脑图谱的多层次神经元经颅磁刺激方法
CN106823137B (zh) 一种优化神经调控的方法和装置
Seo et al. Relation between the electric field and activation of cortical neurons in transcranial electrical stimulation
US8538543B2 (en) System and method to design structure for delivering electrical energy to tissue
EP3060295B1 (en) A method for optimizing the configuration of multisite transcranial current stimulation and a computer-readable medium and a computer program
Murphy et al. The cortical topography of local sleep
CN112546446B (zh) 一种基于权重功能连接的个体化靶点定位方法
US20050256539A1 (en) Methods and systems for using transcranial magnetic stimulation to enhance cognitive performance
KR102577945B1 (ko) 국소적 경두개 자기 자극 장치 및 방법
CN115779268A (zh) 一种经颅电刺激的多脑区电极优化方法
CN113436170B (zh) 基于磁共振影像的经颅电刺激个体化优化平台
Pancholi et al. Quantification of electric field strength of tDCS in alzheimer’s and mild cognitive impairment patients
CN115910356B (zh) 基于经颅磁刺激线圈电磁场模拟的磁场刺激效果评估方法
Dengler et al. Enhancing cognitive control with transcranial magnetic stimulation in subject-specific frontoparietal networks
CN110507904A (zh) 一种计算密集阵列tDCS定向调制最优电极刺激模式的方法
US20220202491A1 (en) System and method for facilitating dbs electrode trajectory planning
Rastogi et al. Transcranial magnetic stimulation: comparison of 15 coils with 50 MRI derived head models
Chung et al. Is electric field strength deterministic in cortical neurons’ response to transcranial electrical stimulation?
Lecy et al. Neural pathways associated with reduced rigidity during pallidal deep brain stimulation for Parkinson’s disease
Zhang et al. A comparative study of simulated electric fields of transcranial magnetic stimulation targeting different cortical motor regions
Bashar Tissue conductivity based human head model study for EEG
Janssen Transcranial Magnetic Stimulation. Measuring and Modeling in Health and Disease
Liu et al. Patient-specific electro-anatomical modeling of cochlear implants using deep neural networks
Flood A Computational Modelling Exploration of ECT Stimulation Titration: Insights from Static and Dynamic Studies.
Dobre et al. A Numerical Model for the Assessment of the Transcranial Magnetic Stimulation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant