CN115779268A - 一种经颅电刺激的多脑区电极优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种经颅电刺激的多脑区电极优化方法，包括首先进行头部仿真模型的构建，通过有限元求解各电极的电场传递矩阵，然后分别选择需要优化的目标靶区和需要抑制电场强度的一个或多个脑区的靶点。针对靶区电场进行优化，同时抑制其附近特定脑区的电场强度，并约束使用的电极数量、单个电极电流大小和总电极电流，最后通过电场仿真和计算刺激脑区以及抑制脑区的电场强度来进行优化效果的评价。本发明所提出的电极优化方法，在对目标脑区上施加电场的同时，可抑制其附近特定的一个或几个脑区的电场强度。相较于以往针对一个脑区刺激时，由于附近某些脑区激活而造成不可预计的影响，满足了个性精准化的需求。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种经颅电刺激的多脑区电极优化算法。
背景技术
经颅电刺激是一种神经调控技术，通过电极在头皮表面输出微弱的电流来改变大脑皮层神经元活动，以达到调节大脑功能的目的。目前经颅电刺激已经被广泛用于治疗癫痫、抑郁、脑卒中等疾病，除此之外，经颅电刺激也被发现还有提高认知的能力，包括语言、记忆等功能。传统的经颅电刺激采用两个面积为25-35cm2的矩形电极，但这种刺激方案在目标脑区处产生的电场强度较低，且在颅内引入的电场分布较为弥散，在非目标脑区也诱发了一定的电场，有可能会激活其它脑区，造成一些不良的后果。
为了更加精确地控制电场的分布，以提高刺激的准确性和有效性，一些电极优化方法被提出。电极优化通过选择合适的电极组合，包括电极数量、电极位置、电流强度，来诱发特定的颅内电场分布，以达到刺激的效果。电极优化方法通常使用大量较小的电极(1-2cm2)代替传统的大贴片电极，结合个体脑部结构差异，可以使得电场的聚焦性得到明显的改善。常见的电极优化方法包括最小二乘法、最大强度法、线性约束最小方差法等。最小二乘法通过最小化二阶误差项，可以获得相对集中的刺激，但刺激的聚焦性较低；最大强度法的目标是实现高强度的刺激，但牺牲了聚焦性；线性约束最小方差包含一个硬约束，即目标脑区的刺激电场强度要强制等于所需电场强度大小，在此前提下使非目标区域电场的电场能量最小化，这种方法可以保证刺激效果，但所需电极数目过多，现实操作中方案操作难度大。另外，随着神经环路学的发展，越来越希望能够靶向刺激某脑区时，尽量减少对其它特定脑区的影响，以便于研究神经调控的量效关系。临床的实际应用中，也经常需要在刺激一个脑区的同时，尽量避免对其周围特定的一个或多个脑区造成刺激干扰。
但目前的电极优化方法在对某个脑区进行经颅电刺激时，由于电场分布的特性，其附近的脑区上也会有一定的电场强度，从而难免也会受到刺激的影响。
发明内容
本发明提出一种针对电场强度和聚焦性两个目标的多脑区电极优化方法，可以实现在刺激一个目标脑区的同时，约束其附近特定脑区上的电场强度大小，达到靶向刺激的效果。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种经颅电刺激的多脑区电极优化方法，其包括以下步骤：
(1)进行头部仿真模型的构建；
(2)分别选择需要优化的目标靶区和需要抑制电场强度的一个或多个脑区的靶点；
(3)进行有限元求解，针对靶区电场进行优化，同时抑制其附近特定脑区的电场强度，并约束使用的电极数量、单个电极电流大小和总电极电流；
(4)通过电场仿真和计算刺激脑区以及抑制脑区的电场强度来进行优化效果的评价。
优选地，所述头部仿真模型的构建具体包括以下步骤：
(1.1)将磁共振成像数据进行分割，将个体头部模型结构分为头皮、脑脊液、头骨以及大脑白质和灰质；
(1.2)进行电极的放置，通过电极定位方法放置虚拟电极，电极定位方法包括10-05系统和10-10系统；
(1.3)进行有限元网格化，生成三维网格并进行结构修复，从分割后的磁共振成像生成四面体网格；
(1.4)通过有限元计算得出每个候选电极的电场传递矩阵。
优选地，根据目标靶区和抑制电场的脑区的位置来确定相对应的MNI靶点坐标。
优选地，电场优化的表达式为：
其中s表示电极的电流大小，
表示靶区的目标电场分布，λEfoc表示聚焦性优化的参数，Einv-target<E0表示抑制的特定脑区的电场强度的大小Einv-target应小于值常数E0。
优选地，所述约束使用的电极数量、单个电极电流大小和总电极电流包括：限制优化结果中使用的电极数量为特定的值，具体流程为首先经过一次无电极数量限制的优化，从优化结果中取出电流最大的若干个电极作为新的解空间，取出的电极数量与最终需要的电极数量相同，再进行一次优化来得到最终的电极优化结果，约束条件还包括：
①电流的绝对值总和不大于特定值Itotal
②单个电极的电流绝对值不大于特定值Im
③输入电流的大小等于输出电流大小。
优选地，通过计算优化结果中电极电流在靶区建立的电场的电场强度和计算抑制脑区的电场强度，来观察抑制的效果；通过根据模板上的电场分布图来直观地查看电极优化的效果。
本发明的有益效果：
(1)本发明所提出的电极优化方法，在对目标脑区上施加电场的同时，可抑制其附近特定的一个或几个脑区的电场强度，相较于以往针对一个脑区刺激时，由于附近某些脑区激活而造成不可预计的影响，满足了个性精准化的需求。
(2)本发明将经颅电刺激使用的电极限制到一定的数量，从而满足实际使用的条件。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是对个体头部模型进行分割示意图；
图3是在头部模型上放置电极的示意图；
图4是对头部模型进行有限元网格化的示意图；
图5是选择目标脑区的靶点坐标位置示意图；
图6是针对目标脑区进行电极优化的同时抑制附近特定脑区的场强(左)和没有抑制附近的脑区的场强(右)的电场仿真立体结果图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例涉及一种经颅电刺激的多脑区电极优化方法，首先进行头部仿真模型的构建，接着分别选择需要优化的目标靶区和需要抑制电场强度的非目标脑区的靶点，然后针对靶区电场进行优化，同时抑制特定的非目标脑区电场强度，并约束使用的电极数量、单个电极电流大小和总电极电流，最后通过电场仿真和计算刺激目标脑区以及抑制脑区的电场强度来进行优化效果的评价。
参阅图1，为本实施例中经颅电刺激的多脑区电极优化的简易实施流程图。包括进行头部仿真模型的构建、选择刺激脑区和抑制脑区的靶点坐标位置、进行针对目标脑区和抑制场强的脑区的电极优化和对优化效果进行评估三个部分。
一、进行头部仿真模型的构建
参阅图2，首先将磁共振成像数据通过使用SPM12软件进行分割，将个体头部模型结构分为头皮、脑脊液、头骨以及大脑白质和灰质。并使用MATLAB脚本函数做进一步的分割，其中的处理过程包括平滑、空洞填充、游离体素去除；参阅图3，然后进行电极的放置，选择10-10系统电极定位方法放置虚拟电极；参阅图4，接着进行通过MATLAB中的iso2mesh工具进行有限元网格化，生成三维网格并进行结构修复，cgalv2m函数被用来从分割后的磁共振成像生成四面体网格。最后通过有限元计算得出每个候选电极的电场传递矩阵。
二、确定目标脑区和抑制脑区的靶点坐标位置
通过MRIcron医学影像分析软件打开头部模板，在模板上分别选中目标靶区的位置，然后查看对应的MNI坐标作为靶点坐标。选择抑制脑区的靶点与目标靶点的选择重复相同的步骤。
三、针对刺激脑区和抑制脑区的电极优化
使用MNI标准脑区模板，或者在个体头部模型上通过有限元计算进行电极优化。所述针对靶区电场进行优化，同时抑制特定的非目标脑区电场强度包括：在优化目标靶区电场强度及聚焦性的同时，限制其它特定脑区的电场强度大小。总的电极优化公式为：
其中s表示电极的电流大小，
表示靶区的目标电场分布，λEfoc表示聚焦性优化的参数，Einv-target<E0表示抑制的特定脑区的电场强度的大小Einv-target应小于值常数E0。
所述约束使用的电极数量、单个电极电流大小和总电极电流包括：限制优化结果中使用的电极数量为特定的值，具体流程为首先经过一次无电极数量限制的优化，从优化结果中取出电流最大的若干个电极(取出的电极数量与最终需要的电极数量相同)作为新的解空间，再进行一次优化来得到最终的电极优化结果。另外约束条件还包括：
①.电流的绝对值总和不大于特定值Itotal
②.单个电极的电流绝对值不大于特定值Im
③.输入电流的大小等于输出电流大小
四、通过优化结果计算电场强度和进行电场仿真
所述通过电场仿真和计算刺激目标脑区以及抑制脑区的电场强度来进行优化效果的评价包括，计算优化结果中电极电流在靶区建立的电场的电场强度，同时计算抑制脑区的电场强度，来观察抑制的效果。目标靶区的电场强度越大，抑制脑区的电场强度越小，说明优化效果越好。经过电场仿真可根据模板上的电场分布图来直观地查看电极优化的效果。
参阅图5，使用MRIcron软件选择目标靶区的靶点坐标，首先确定需要进行经颅电刺激的脑区的位置，然后在MRIcron软件中打开标准脑区模板，在脑区切片图(图2左侧)或立体图(图2右侧)上点击选中模板脑区的中心位置点，得到对应的MNI坐标，即为靶点坐标。图2选择的脑区为上顶(Superior Parietal Lobe，SPL)，最终选定的靶点MNI坐标为[26,-69,66]。然后以同样的步骤选定SMG附近的脑区缘上回(Supramarginal Gyrus,SMG)、角回(Angular gyrus,ANG)的坐标位置。本实施例将SPL作为刺激脑区，SMG、ANG作为抑制脑区。
参阅图6，针对SPL脑区进行电极优化的同时抑制SMG、ANG脑区的场强和没有抑制SMG、ANG脑区的场强，图中脑区模板的颜色代表的电场强度可以由右侧电场强度的colorbar提示，电场强度的显示范围为0～0.3V/m。图中几个圆的部分代表使用的电极，其颜色对应的是流入或流出该电极的电流大小，可由左侧电流大小的colorbar提示。左侧结果中SPL、SMG、ANG脑区的电场强度分别为0.1124V/m、0.0500V/m、0.0380V/m，右侧结果中SPL、SMG、ANG脑区的电场强度分别为0.1439V/m、0.1294V/m、0.0863V/m。可以看出，本发明可以在保证SPL脑区刺激效果的同时，有效地抑制其附近的脑区SMG、ANG上的电场强度。
尽管上面结合实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，例如：考虑土体参数的随机性，考虑缩颈段长度的随机性，考虑不同或者更多个安全参数。这些均属于本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种经颅电刺激的多脑区电极优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)进行头部仿真模型的构建；
(2)分别选择需要优化的目标靶区和需要抑制电场强度的一个或多个脑区的靶点；
(3)进行有限元求解，针对靶区电场进行优化，同时抑制其附近特定脑区的电场强度，并约束使用的电极数量、单个电极电流大小和总电极电流；
(4)通过电场仿真和计算刺激脑区以及抑制脑区的电场强度来进行优化效果的评价。
2.根据权利要求1所述的经颅电刺激的多脑区电极优化方法，其特征在于，所述头部仿真模型的构建具体包括以下步骤：
(1.1)将磁共振成像数据进行分割，将个体头部模型结构分为头皮、脑脊液、头骨以及大脑白质和灰质；
(1.2)进行电极的放置，通过电极定位方法放置虚拟电极，电极定位方法包括10-05系统和10-10系统；
(1.3)进行有限元网格化，生成三维网格并进行结构修复，从分割后的磁共振成像生成四面体网格；
(1.4)通过有限元计算得出每个候选电极的电场传递矩阵。
3.根据权利要求1所述的经颅电刺激的多脑区电极优化方法，其特征在于，根据目标靶区和抑制电场的脑区的位置来确定相对应的MNI靶点坐标。
4.根据权利要求1所述的经颅电刺激的多脑区电极优化方法，其特征在于，电场优化的表达式为：
其中s表示电极的电流大小，
表示靶区的目标电场分布，λEfoc表示聚焦性优化的参数，Einv-target<E0表示抑制的特定脑区的电场强度的大小Einv-target应小于值常数E0。
5.根据权利要求1所述的经颅电刺激的多脑区电极优化方法，其特征在于，所述约束使用的电极数量、单个电极电流大小和总电极电流包括：限制优化结果中使用的电极数量为特定的值，具体流程为首先经过一次无电极数量限制的优化，从优化结果中取出电流最大的若干个电极作为新的解空间，取出的电极数量与最终需要的电极数量相同，再进行一次优化来得到最终的电极优化结果，约束条件还包括：
①电流的绝对值总和不大于特定值Itotal
②单个电极的电流绝对值不大于特定值Im
③输入电流的大小等于输出电流大小。
6.根据权利要求1所述的经颅电刺激的多脑区电极优化方法，其特征在于，通过计算优化结果中电极电流在靶区建立的电场的电场强度和计算抑制脑区的电场强度，来观察抑制的效果；通过根据模板上的电场分布图来直观地查看电极优化的效果。
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