一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法

摘要

一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法，利用电场仿真或利用电场测量，通过标定磁刺激线圈产生感应电场的方法，确定脑电采集装置和磁刺激线圈相对应的最佳位置，检测并获取脑电信号。本发明在确定经颅磁刺激大脑刺激区域时将脑电采集装置和刺激线圈的相对位置和角度进行了考虑，通过仿真或测量线圈感应电场强度和方向，逐步修正导线和线圈的相对位置，修正TMS下脑电信号。能除去绝大部分TMS下EEG的伪迹，能够使TMS诱发脑电信号更加精确，减轻TMS的副作用，且保证其刺激效果，充分体现TMS在脑网络传递中的作用，对TMS诱发脑电的研究有非常重要的意义。利用本方法可将伪迹的幅值减少10～20倍，可将伪迹的持续时间减少30％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种脑电信号获取方法。特别是涉及一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹 去除的方法。

背景技术

经颅磁刺激(transcranialmagneticstimulation,TMS)技术是现代脑科学研究中重要的一种 技术手段。经颅磁刺激是利用时变磁场作用于大脑皮层产生感应电流改变皮层神经细胞的动 作电位，从而影响脑内代谢和神经电活动的生物刺激技术。它具有无痛、无创、风险小、操 作简单、能重复刺激等众多优点，为脑功能网络研究提供了一个新的方法和途径。

在人的头皮采集到的脑电信号叫做头皮脑电(electroencephalography，EEG)。EEG是一种 观测脑的电活动的方法。EEG反映了大脑组织的电活动和大脑的功能状态，是了解人脑信息 处理过程的一种极为重要的形式。EEG的研究可以了解脑活动机制和大脑的网络功能。

近年来，将TMS和EEG优点相结合的TMS-EEG技术被广泛应用在皮层反应、大脑振 荡特性及大脑功能网络研究中。通过研究发现在TMS干预后几百毫秒时间内很难得到单纯反 映脑神经活动机制的脑电信号，普遍存在着严重的伪迹问题，这就意味着，TMS线圈中每一 次电流脉冲所产生的交变磁场，都会使刺激位置附近的EEG电极记录到一个幅度高且持续时 间长的TMS放电伪迹。这种伪迹会严重影响EEG信号的研究，同时导致放大器的过载和饱 和，损坏放大器。可见，想要揭示TMS对脑电活动的影响，去除伪迹便是首要任务。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够充分体现TMS在脑网络传递中作用的用于 经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法，包括： 利用电场仿真或利用电场测量，通过标定磁刺激线圈产生感应电场的方法，确定脑电采集装 置和磁刺激线圈相对应的最佳位置，检测并获取脑电信号。

当利用电场仿真时，通过标定磁刺激线圈产生感应电场的方法，确定脑电采集装置和磁 刺激线圈相对应的最佳位置包括如下步骤：

1)按照半无界空间数学模型建立计算机仿真系统；

2)采用数值积分方法模拟磁刺激线圈在不同初始条件下产生的感应电场值，取积分区间 分割的最小步长为10^-7，积分精度定为10^-9；

3)绘制三维空间分布特征曲线，绘制与线圈有设定间距的水平面上的各坐标点的感应电 场值及各个位置的电场角度，标定以线圈中点为圆心，线圈下方1cm，以0.5cm为半径的圆 上每45°的电场强度和方向，共标记8个点的电场强度和电场方向；

4)将脑电采集装置的信号采集电极、地电极和参比电极方向保持平行，导线方向也保持 平行；

5)比较标记的8个点的电场大小，选择出8个点中电场最大的点x₀，将脑电电极线方 向与x₀点电场方向保持垂直。

当利用电场测量时，通过标定磁刺激线圈产生感应电场的方法，确定脑电采集装置和磁 刺激线圈相对应的最佳位置包括如下步骤：

1)在磁刺激线圈空间中建立三维空间结构为x，y，z方向，x方向代表线圈长轴方向， y方向代表短轴方向，z方向代表与线圈长轴短轴的形成的平面相垂直的方向；

2)倒置电场测量装置并固定在x，y，z轴的空间中；

3)将电场测量装置的探头从磁刺激线圈的开口向下逐步深入，保持探头方向与磁刺激线 圈开口方向垂直，将检测探头固定在线圈上方1cm处，标记以0.5cm为半径的圆上每45°的 电场强度和方向，共标记8个点的电场强度和电场方向；

4)将脑电采集装置的信号采集电极、地电极和参比电极方向保持平行，导线方向也保持 平行；

5)比较标记的8个点的电场大小，选择出8个点中电场最大的点y₀，将脑电电极线方 向与y₀点电场方向保持垂直。

所述的检测并获取脑电信号包括如下步骤：

1)进行一定阈值经颅磁刺激，经颅磁刺激线圈与头皮无接触，逐次记录经颅磁刺激下得 到的脑电信号；

2)利用脑电采集装置采集每个导联的脑电数据，删除受干扰导联数据；

3)进行数据预处理。

步骤1)所述的经颅磁刺激中，刺激强度为运动阈值的120％，刺激频率为1Hz。

步骤2)中采集脑电数据时，脑电采集装置的脑电帽导电线能够自主转动的角度范围为 5°-180°。

步骤3)所述的数据预处理包括：

(1)将采集的脑电数据分割为刺激前1000毫秒和之后1000毫秒，进行基线矫正，叠加 平均；

(2)利用零相位的二阶巴特沃斯滤波器进行滤波，通带宽度为1-45Hz，最后获得的脑 电信号就是去除伪迹的脑电信号。

本发明的一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法，在确定经颅磁刺激大脑刺 激区域时将脑电采集装置和刺激线圈的相对位置和角度进行了考虑，通过仿真或测量线圈感 应电场强度和方向，逐步修正导线和线圈的相对位置，修正TMS下脑电信号。能除去绝大部 分TMS下EEG的伪迹，能够使TMS诱发脑电信号更加精确，减轻TMS的副作用，且保证 其刺激效果，充分体现TMS在脑网络传递中的作用，对TMS诱发脑电的研究有非常重要的 意义。本发明的方法简单、成本低廉，为TMS-EEG研究提供指导。利用本方法可将伪迹的 幅值减少10～20倍，可将伪迹的持续时间减少30％。

附图说明

图1是本发明中感应电场仿真图形和标定位置及方向(以8字线圈为例)的效果图；

图2是本发明方法中利用仿真方法仿真出感应电场在线圈下1cm处感应电场角度分布；

图3是本发明的电场检测装置；

图中：1：检测探头；2：检测电路；3：二层盐水球头模型；4：电场屏蔽网；

5：校准线圈；6：激励线圈；7：脉冲电场发生器

图4本发明的一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法的流程图；

图5是本发明线圈标定示意图；

图6是未利用本方法时所得的脑电信号；

图7是利用本发明方法进行脑电信号测量时得到的信号。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法做 出详细说明。

本发明的一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法，考虑不同角度摆线对于脑 电信号采集伪迹的不同影响，避免或减少磁刺激变化的电场对于运动区脑电采集产生的伪迹 问题。是依据8字线圈的两个环内的电流方向相反，8字线圈的中点位置的电流强度最大。 而不同摆线角度对于脑电信号的伪迹影响不同，采用任意角度摆线在磁刺激过程中采集脑电 信号会有很大的误差。本发明根据法拉第电磁感应定律的原理，分析了磁刺激线圈的电场分 布，标定了脑电采集装置摆放位置，使得采集到的伪迹信号最小。

如图3所示，本发明的一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法，包括：利用 电场仿真或利用电场测量，通过标定磁刺激线圈产生感应电场的方法，确定脑电采集装置和 磁刺激线圈相对应的最佳位置，检测并获取脑电信号，所述标定磁刺激线圈产生感应电场的 方法是计算或检测线圈电场强度和电场方向，标定以线圈中点为圆心，以0.5cm为半径的圆 上每45°的电场强度和方向，共标记8个点(如图5的点1～8)的电场强度和电场方向。

在本发明的一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法中，当利用电场仿真时， 通过标定磁刺激线圈产生感应电场的方法，确定脑电采集装置和磁刺激线圈相对应的最佳位 置包括如下步骤：

1)按照半无界空间数学模型建立计算机仿真系统；

2)采用数值积分方法模拟磁刺激线圈在不同初始条件下产生的感应电场值，取积分区间 分割的最小步长为10^-7，积分精度定为10^-9；

3)绘制三维空间分布特征曲线(如图1)，绘制与线圈有设定间距(如间距为1cm)的 水平面上的各坐标点的感应电场值及各个位置的电场角度(如图2)，标记标定以线圈中点 为圆心，线圈下方1cm，以0.5cm为半径的圆上每45°的点的电场强度和方向，共标记8个点 的电场强度和电场方向(如图5点1～8)；

4)将脑电采集装置的信号采集电极、地电极和参比电极方向保持平行，导线方向也保持 平行；

5)比较标记的8个点的电场大小，选择出8个点中电场最大的点x₀，将脑电电极线方 向与x₀点电场方向保持垂直。

在本发明的一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法中，当利用电场测量时， 通过标定磁刺激线圈产生感应电场的方法，确定脑电采集装置和磁刺激线圈相对应的最佳位 置包括如下步骤：

1)在磁刺激线圈空间中建立三维空间结构为x，y，z方向，x方向代表线圈长轴方向， y方向代表短轴方向，z方向代表与线圈长轴短轴的形成的平面相垂直的方向(即线圈厚度方 向)；

2)倒置电场测量装置并固定在x，y，z轴的空间中；所述电场测量装置是采用磁刺激脑 内感应电场聚焦性的仿真研究与线圈优化设计，蒲莉娜.磁刺激脑内感应电场聚焦性的仿真研 究与线圈优化设计[D].北京协和医学院,2009.中所公开的装置，如图3；

3)将电场测量装置的探头从磁刺激线圈的开口向下逐步深入，保持探头方向与磁刺激线 圈开口方向垂直，将检测探头固定在线圈上方1cm处标记以0.5cm为半径的圆上每45°的电 场强度和方向，共标记8个点的电场强度和电场方向；

4)将脑电采集装置的信号采集电极、地电极和参比电极方向保持平行，导线方向也保持 平行；

5)比较标记的8个点的电场大小，选择出8个点中电场最大的点y₀，将脑电电极线方 向与y₀点电场方向保持垂直。

本发明的一种用于经颅磁刺激大脑诱发脑电伪迹去除的方法中，所述的检测并获取脑电 信号包括如下步骤：

1)进行一定阈值经颅磁刺激(TMS)，所述的经颅磁刺激中，刺激强度为运动阈值的 120％，刺激频率为1Hz，经颅磁刺激线圈与头皮无接触，逐次记录经颅磁刺激下得到的脑电 信号；

2)利用脑电采集装置采集每个导联的脑电数据，删除受干扰导联数据，采集脑电数据时， 脑电采集装置的脑电帽导电线能够自主转动的角度范围为5°-180°；

3)进行数据预处理，所述的数据预处理包括：

(1)将采集的脑电数据分割为刺激前1000毫秒和之后1000毫秒，进行基线矫正；

(2)利用零相位的二阶巴特沃斯滤波器进行滤波，通带宽度为1-45Hz；

将线圈和脑电线以随意方向进行排布时，所得脑电信号如图6；将线圈和脑电线以本发 明方法排布时，经过一定预处理所得脑电信号如图7(图像横轴代表时间，单位为毫秒，纵 轴代表幅值，单位为微伏)，可发现，利用本发明方法检测到的脑电信号伪迹比随意方向排 布所得的脑电信号的伪迹幅值小10倍。