一种无创评估大脑皮层兴奋性的系统及方法

摘要

本发明公开了一种无创评估皮层兴奋性的系统及方法，利用肌电信号的实时反馈，实现经颅磁刺激对运动皮层的闭环刺激，进而通过测量手部肌肉运动诱发电位无创评价运动皮层实时兴奋性。肌电采集器包括肌电记录电极和记录系统，采集到的肌电信号可以传输给上位机实时分析。实时数据处理算法针对实时肌电信号分析信号能量和相位，并对后续信号相位做出统计预测，并在设定条件下引发磁刺激。本发明基于经颅磁刺激诱发肌电技术，极大地降低了设备和使用成本，提高了大脑皮层状态检测的便捷性。相较于传统静息态MEP方法，本发明通过肌电闭环反馈降低了个体差异性和状态变化所导致的评估误差，有效提高了结果的可靠性与稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种无创评估大脑皮层兴奋性的系统及方法。

背景技术

大脑皮层兴奋性是皮层神经元对给定刺激的反应强度，反映了神经元的反应性和反应特异性。有效的皮层兴奋性评估手段既是研究健康脑功能神经生理学的重要方法，也能作为神经和精神疾病临床诊断和预后评估的有效工具。

目前，大脑皮层兴奋性评估主要采用行为学检查、神经电生理或影像学手段，常见的有脑电图、脑磁图、功能磁共振、近红外光谱、正电子发射断层显像等。脑电图能够以较高的时间准确性检测脑内神经元群的放电活动，不同节律脑电波可以反映神经系统局部电生理活动的变化，但其如何准确反算皮层兴奋性的问题仍未得到较好解决；脑磁图能通过直接测量脑内神经元电活动引发的微弱磁场变化来反映神经活动的变化，而功能磁共振技术及正电子发射断层显像则能够从代谢层面间接表征皮层神经兴奋性情况，但这些技术因使用设备昂贵、操作复杂而难以得到大规模推广。此外，近期出现了基于近红外技术的便携式的大脑皮层状态检测设备，但由于近红外光的散射、组织的吸收效应，近红外光实际使用光强受到一定限制，其穿深一般在头皮下2cm左右，另一方面，近红外技术是通过神经元代谢耗氧变化来间接反映兴奋性变化，这就使得基于近红外技术的皮层兴奋性检测的准确度和可靠性不足，并且易受环境光及头皮血氧波动等多种噪声影响。

经颅磁刺激(transcranialmagneticstimulation，TMS)是一种非侵入式的脑刺激手段，通过线圈产生的磁脉冲在目标脑区产生感应电场，使该区域神经元去极化产生动作电位。当经颅磁刺激作用于初级运动皮层的特定区域时，就能在对应外周肌肉引发被称为运动诱发电位(motorevokedpotential,MEP)的肌电变化。此前已有一系列研究表明，通过测量静息状态下经颅磁刺激导致目标肌肉产生的运动诱发电位，能够较为灵敏地检测皮层兴奋性的潜在变化，MEP评估也已经在精神疾病临床诊断和预后评估方面得到一定应用。但传统的静息状态下TMS诱发MEP方法受到刺激位置、线圈形状、刺激方向、被试状态等诸多因素影响，在实际应用中常表现出高度可变性。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种无创评估大脑皮层兴奋性的系统及方法，相对于传统皮层兴奋性评估方法具有经济、便捷、快速、无创等优势，相比于传统静息态MEP方法更加稳定可靠。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种无创评估大脑皮层兴奋性的系统，其包括

经颅磁刺激系统，用于施加双相单脉冲模式的磁脉冲刺激；

肌电采集系统，用于同步采集被试实时肌电信号；

上位机反馈单元,用于分析实时肌电能量及相位，并通过屏幕同步反馈能量变化，帮助被试保持肌肉状态，同时在预设条件下控制经颅磁刺激系统发出脉冲。

一种无创评估大脑皮层兴奋性的方法，其包括以下步骤：

步骤一：将肌电电极置于被试目标肌肉表面，测量被试最大自主收缩肌电，请被试通过面前屏幕反馈的肌电能量保持肌肉状态；

步骤二：在被试目标肌肉状态相对稳定的基础上，通过多次单脉冲磁刺激确定刺激靶点和刺激强度；

步骤三：确定刺激靶点后，通过上位机反馈单元计算实时肌电数据的相位，根据算法预测待刺激点相位，通过延时控制经颅磁刺激仪在预定的相位时间点上于事先确定的靶点输出预设参数的刺激信号，并同步记录磁刺激诱发目标肌群的电位；

步骤四：保持条件不变，以一组经颅磁刺激的运动诱发电位作为运动皮层兴奋性的量化指标，无创评估实时皮层兴奋性。

优选地，步骤一中，提前测量被试在最大自主收缩时目标肌肉的表面肌电，后续测量过程中请被试依据屏幕实时反馈的肌电能量，保持肌肉在10％～30％MVC之间的某一固定状态附近。

优选地，步骤二中，刺激靶点为初级运动皮层区域内与目标肌肉存在强关联的热点，确定方法为在初级运动皮层对应的头皮区域内，以较大的刺激强度多次测量，选择能最稳定引发最大诱发电位的点为刺激靶点。

优选地，步骤二中，在确定刺激靶点后，刺激强度选择能在10次刺激中引发5次以上大于1mV运动诱发电位的最小值；如果刺激强度较大时，运动诱发电位仍然远小于1mV，则以能在10次刺激中引发5次以上肉眼可见的目标肌肉收缩的强度为运动态阈值，选择120～160％AMT区间内某一固定值为后续测量时使用的刺激强度。

优选地，步骤三中，数据预处理阶段对实时采集到的肌电信号做快速傅里叶变换，提取预设频段内的峰值频率点，以峰值频率点为滤波中心点做带通滤波；采取自回归模型的方法预测后续一段时间的肌电信号，并通过希尔伯特变换提取相位信息，根据系统和计算延时做相位校正后输出。

优选地，步骤四中，组内延时控制在考虑相位和能量因素的同时，在连续两次磁刺激间加入5～15秒的随机间隔，排除被试主观因素干扰。

本发明的有益效果：

本发明基于经颅磁刺激诱发肌电技术，极大地降低了设备和使用成本，提高了大脑皮层状态检测的便捷性。相较于传统静息态MEP方法，本发明通过肌电闭环反馈降低了个体差异性和状态变化所导致的评估误差，有效提高了结果的可靠性与稳定性。

附图说明

图1为本发明无创评估大脑皮层兴奋性的系统的结构图；

图2为本发明实施例中的软件算法流程图。

图3为本发明实施例中相位预测算法的流程图。

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。

如图1所示，本实施例涉及一种无创评估大脑皮层兴奋性的系统，包括经颅磁刺激系统101、肌电采集系统102及上位机反馈单元103。经颅磁刺激系统101施加双相单脉冲模式的磁脉冲刺激，所述肌电采集系统102同步采集被试实时肌电，所述上位机反馈单元103分析实时肌电能量及相位，并通过屏幕同步反馈能量变化，帮助被试保持肌肉状态，同时在预设条件下控制经颅磁刺激系统101发出脉冲。

本发明采用的技术方案是：使用表面肌电电极记录目标肌群的肌电信号并实时传输给上位机反馈单元，被试通过上位机反馈单元处理后的反馈保持发力状态。在肌电能量相对稳定的基础上，根据算法预测待刺激点相位。通过延时控制经颅磁刺激仪在预定的相位上于事先确定的靶点输出预设参数的刺激信号，并同步记录磁刺激诱发目标肌群的电位，最后以一组运动诱发电位作为运动皮层兴奋性的量化指标。

实验前再次确认被试无癫痫既往病史，且未服用任何会影响神经兴奋性的药物和食物。采集时一般要求被试保持放松、安静、睁眼，姿势不变的同时集中注意力在手部肌肉发力情况和正前方屏幕上的实时反馈，确保肌肉发力和精神状态相对稳定。建立反馈首先需要测量被试在最大自主收缩(MVC)时目标肌肉的表面肌电，具体方法为：完成表面肌电电极的固定后，请被试以最大的力度和最快的速度收缩目标肌肉，计算时间窗内肌电信号能量最大值，充分休息后多次重复取平均值。实际实验中计算得到的肌电能量以实时涨跌的条形图形式反馈给被试，当能量落在设定条件(10％～30％MVC之间某一固定值附近)内时，能量条为绿色，反之为红色。

所述的肌电电极位置在目标肌肉表面(如第一背侧骨间肌、拇短展肌、小指外展肌等)，经颅磁刺激的目标靶点为初级运动皮层区域内与目标肌肉关联最强的热点，确定方法为在初级运动皮层对应的头皮区域内，以较大的刺激强度多次测量，选择能最稳定引发最大诱发电位的点为刺激靶点。在确定刺激靶点后，刺激强度选择能在10次刺激中引发5次以上大于1mV运动诱发电位的最小值。

所述的肌电信号能量计算指标为均方根(Root mean square,RMS)，具体计算方法为

所述的肌电信号相位预测方法见图三：数据预处理阶段会对实时采集到的肌电信号做快速傅里叶变换，提取预设频段内的峰值频率点，以峰值频率点为滤波中心点做f

x

其中a

连续时间信号x(t)的希尔伯特(Hilbert)变换定义为

对信号进行希尔伯特变换就相当于对该信号进行了正交移相，使它成为自己的正交对,因此可以得到信号的瞬时相位：

因此对实时采集得到的肌电信号做自回归模型计算得到后续一段时间的预测信号序列，通过希尔伯特变换提取预测相位，再结合整个系统中数据传输延时和计算延时做相位校正，就能实现在预定相位点产生磁刺激。

在控制刺激点的肌电能量和相位相对稳定的基础上，以一组经颅磁刺激的运动诱发电位作为运动皮层兴奋性的量化指标，通过对干预前后(如服用药物前后)两组运动诱发电位的统计学检验，就能比较被试的运动皮层兴奋性高低。

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。