一种针对脑图谱的皮层靶点精准聚焦方法

技术领域

本发明属于交流电刺激神经调控的技术领域，特别是涉及一种针对脑图谱的皮层靶点精准聚焦方法。

背景技术

经颅电刺激是成熟又便捷的神经调控方法，通过在头皮施加低强度电流(电流一般低于2mA)实现特定脑区的调节，在临床应用中可以实现对神经精神类疾病(帕金森病、抑郁症、阿尔茨海默病等)的神经调控，对于健康人，可以改善工作记忆、认知能力、运动能力等，具有无创、无依赖性、副作用小的优势。

脑图谱是人类大脑的地图，为神经调控提供了导航定位，随着技术手段的不断提升，脑图谱也逐渐精细化与个体化，可以针对调控需求选择特定的刺激脑区，构建个性化的精准调控方案，对神经调控提出了高聚焦的需求。

高精度经颅电刺激(HD-TES)的出现，提升了传统经颅电刺激的聚焦性，对于HD-TES，提升聚焦性时需要更小的电极距离与更小的电极尺寸，然而在电流大小相同时，随着电极尺寸逐渐减小，电流密度的增大加大了刺激的疼痛感，限制了经颅电刺激的聚焦范围。

时间干扰电刺激(TIS)通过两路具有差频的高频载波产生的包络场来实现神经调控，其中高频电流的颅骨穿透性减小了电流从头皮到大脑皮层路径中耗散，高频电流相比于低频电流在电流密度相同时具有较低的疼痛感，具有更好的疼痛容忍性，使得时间干扰电刺激过程中的小电极使用成为可能，然而时间干扰电刺激的包络场在个体间差异较大，需要进行个体化定位与多个电极阵列优化来实现，耗时较长，应用较难。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对脑图谱的皮层靶点精准聚焦方法，在构建被试的个体化脑图谱后，根据选取的调控靶点，首先对核磁影像进行分割得到灰质的模板，基于灰质模板上的刺激靶点，映射得到头皮上对应的中心电极的中心位置，基于该位置优化外周电极与中心电极的距离、电流大小、电极大小，实现靶点的精准聚焦调控，解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种针对脑图谱的皮层靶点精准聚焦方法，包括以下步骤：

对调控对象的核磁影像进行分割，获得灰质模板与头皮模板；

选取靶点，并将所述靶点从所述灰质模板映射到头皮模板，获得头皮上对应的中心电极的中心位置；

基于所述中心电极的中心位置，对外周电极和中心电极进行参数优化，实现靶点的精准聚焦。

可选地，选取靶点之前的过程包括：基于调控对象的功能性核磁影像构建个体化脑图谱，在所述个体化脑图谱上基于调控目标选取靶点。

可选地，获得头皮上对应的中心电极的中心位置的过程包括：将所述靶点所在灰质模板上的法向量映射到所述头皮模板上，获得所述靶点在头皮上对应的中心电极的中心位置。

可选地，对外周电极和中心电极进行参数优化之前的过程包括：基于高斯混合模型对结构性核磁影像进行分割，获得头皮、颅骨、脑脊液、灰质、白质、脑室的脑组织模板，并将若干个脑组织模板进行重组，构建三维脑组织结构模板。

可选地，对外周电极和中心电极进行参数优化的过程包括：所述中心电极的中心位置固定后，基于所述三维脑组织结构模板构建个体化模型，采用有限元方法求解拉普拉斯方程进行电刺激过程中的颅内电场仿真，并变化所述中心电极与外周电极的尺寸、中心电极与外周电极的距离和刺激电流的大小，通过靶点位置包络场的幅值最大，靶点外包络场的幅值最小进行约束，实现靶点位置的精准聚焦。

可选地，在电刺激过程中采用第一刺激方式或第二刺激方式；

所述第一刺激方式的结构包括第一通道和第二通道，所述第一通道和第二通道均包括一个圆形的第一中心电极与一个环形电极；其中，所述第一通道和第二通道共用第一中心电极；

所述第二刺激方式的结构包括第三通道和第四通道，所述第三通道和第四通道均包括一个圆形的第二中心电极与若干个圆形的外周电极，所述外周电极的圆心在一个圆上且均匀分布；其中，所述第三通道和第四通道共用第二中心电极；

其中，所述第一中心电极和第二中心电极的电流和小于安全电流。

可选地，在刺激过程中产生包络场，所述包络场的频率为第一刺激方式或第二刺激方式的两个通道的频率差值。

可选地，所述第一刺激方式或第二刺激方式的两个通道均为两路交流电输出，其中两路输出的电流取反，电流和为0。

本发明的技术效果为：

本发明公开一种针对脑图谱的皮层靶点精准聚焦方法，在构建被试的个体化脑图谱后，根据选取的调控靶点，首先对核磁影像进行分割得到灰质的模板，基于灰质模板上的刺激靶点，进行映射得到头皮上对应的中心电极的中心位置，基于该位置优化外周电极与中心电极的距离、电流大小、电极大小，能够通过更小的刺激电极实现靶点的精准聚焦调控。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的高精度时间干扰电刺激方法原理图；

图2为本发明实施例中的针对脑图谱的皮层靶点精准聚焦方法工作流程图；

图3为本发明实施例中的针对脑图谱的皮层靶点精准聚焦方法整体流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

本实施例中融合高精度经颅电刺激与时间干扰电刺激，提供了一种针对脑图谱的皮层靶点精准聚焦方法，结合高精度经颅电刺激的聚焦性、时间干扰电刺激的颅骨穿透性和疼痛容忍性，通过中心电极下方包络场的最大化来实现皮层靶点的精准聚焦。包括以下步骤：

S1：获取电刺激调控对象的功能性核磁影像数据与结构性核磁影像数据，构建个体化脑图谱与脑组织结构模板；

S2：根据构建的个体化脑图谱，根据调控目标选定电刺激靶点与频率；

S3：电刺激调控的靶点确定后，根据分割得到的灰质模板与头皮模板，将靶点从灰质映射到头皮，确定所设计的高精度时间干扰电刺激中心电极的中心位置；

S4：根据中心电极的中心位置，通过有限元仿真进行外周电极与中心电极的距离、电流大小、电极大小三个参数的优化，实现靶点的精准聚焦；

进一步的，本实施例进行高精度时间干扰电刺激方法的结构组成为中心电极与外周电极，中心电极为圆形，外周电极为环形或圆形。

进一步的，本实施例的高精度时间干扰电刺激方法按电极组合分为HD-TIS-Ring与HD-TIS-4*1两种刺激方式，其中HD-TIS-Ring由两个通道输入，每个通道由一组电极组成，每组电极包括一个圆形的中心电极与一个环形电极，HD-TIS-4*1由两个通道输入，每个通道由一组电极组成，每组电极包括一个圆形的中心电极与4个圆形的外周电极，4个外周电极的圆心在一个圆上且均匀分布。

进一步的，高精度时间干扰电刺激方法的两种刺激方式中，两个通道共用一个中心电极。

进一步的，两个中心电极的电流和小于安全电流(一般低于2mA)。

进一步的，高精度时间干扰电刺激方法的电流输出为交流电，载波为f，差频为Δf，对于两种刺激方式，在刺激过程中，一个通道的频率为f，另一个通道的频率为f+Δf，产生频率为Δf的包络场。

进一步的，两种刺激方式的每个通道均为两路交流电输出，其中两路输出的电流取反，电流和为0。

具体的，在电刺激过程中采用HD-TIS-4*1的电极方式，如图1所示，在通道1的中心电极施加电流为I

实现靶点精准聚焦的工作流程如图2所示，整体流程如图3所示，在步骤S1中，对采集到的结构化影像数据(sMRI)，基于高斯混合模型分割得到头皮、颅骨、脑脊液、灰质、白质、脑室的脑组织模板，并将其重构为三维脑组织结构；对采集到的功能化影像数据(fMRI)生成个体化脑图谱。

在步骤S2中，根据调控目标个体脑图谱上选择电刺激靶点与频率，实现个体化调控。

在步骤S3中，在确定刺激靶点后，通过靶点所在灰质位置的法向量，将其映射到头皮，得到头皮所对应的位置，该位置为高精度聚焦经颅电刺激中心电极的中心位置。

在步骤S4中，中心电极固定后，利用步骤S1中重构的脑组织结构构建个体化模型，采用有限元方法，通过求解拉普拉斯方程进行电刺激过程中的颅内电场仿真，通过变化中心电极与外周电极的尺寸(size)、中心电极与外周电极的距离(distance)、刺激电流的大小(current)，如下式所示，实现靶点位置包络场的幅值最大，靶点外包络场的幅值最小，实现靶点位置的精准聚焦。

以上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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。