CN111938628B - 一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，包括：数据建模仿真模块，用于获取一组最优超声刺激序列，包括：连续脉冲持续时间t1、连续脉冲重复周期t2、超声刺激持续时间t3、超声刺激重复周期t4，不同的刺激序列均会影响刺激效果；超声刺激模块，采用最优超声刺激序列依次触发各阵元延时信号，按照最优超声刺激序列生成具有相应幅值的阵元激励信号，分别激励多阵元相控换能器发射不同延时、幅值的超声波可无创准确的聚焦于目标靶区，对颅内ROI进行超声刺激；脑电数据采集模块，用于采集一段超声刺激时的脑电信号；解码模块，用于从采集的原始数据中提取出高频的超声刺激脑电信号，从超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和ROI低频脑电源信号。
Description
技术领域
本发明涉及脑电源信号检测领域，尤其涉及一种基于经颅聚焦超声(transcranial Focused Ultrasound，tFUS)刺激的脑电源信号检测装置。
背景技术
脑电图(Electroencephalogram，EEG)是一种广泛应用于探索人脑功能和功能障碍的电生理记录方法，其对于研究人脑的记忆、语言和情感等神经生理机制具有重要意义。根据频率可以将EEG信号分为delta节律(0.5-4Hz)、theta节律(4-7Hz)、alpha节律(8-13Hz)、 beta节律(14-30Hz)和Gamma节律(30Hz以上)五类，其中大脑处于紧张活动时以beta 节律为主，不清醒或睡眠时以delta和theta节律为主。虽然EEG具有非侵入性和时间分辨率高的优势，但大脑的容积导体效应导致其空间分辨率较低，相应的溯源结果也具有不适定性和非唯一性，所以难以精确定位诱发兴奋的神经元区，极大的阻碍了EEG相关研究的进展。
近年来，tFUS凭借其无创性、穿透深度大、聚焦靶点多和空间分辨率高的优势日益成为研究热点。根据焦域的能量，tFUS可分为高强度聚焦超声和低强度聚焦超声，前者主要通过热效应消融病变组织，但存在周围正常组织热损伤风险；低强度聚焦超声可以以毫米级空间分辨率刺激大脑神经元活动，且不会产生任何损伤。因此，利用低强度tFUS有望从根本上解决EEG空间分辨率低的问题。
发明内容
本发明提供了一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，本发明设计了基于建模仿真指导的超声刺激范式，及信号降噪、带通滤波和源信号提取等解码策略，该装置可以无创的提取颅内感兴趣区域(Region Of Interest，ROI)的脑电源信号，从根本上提升 EEG信号的空间分辨率，推动EEG相关研究的进展，详见下文描述：
一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，所述装置包括：
数据建模仿真模块，用于获取一组最优超声刺激序列，所述最优超声刺激序列包括：连续脉冲持续时间t1、连续脉冲重复周期t2、超声刺激持续时间t3、超声刺激重复周期t4，不同的刺激序列均会影响刺激效果；
超声刺激模块，采用最优超声刺激序列依次触发各阵元延时信号，按照最优超声刺激序列生成具有相应幅值的阵元激励信号，分别激励多阵元相控换能器发射不同延时、幅值的超声波可无创准确的聚焦于目标靶区，对颅内ROI进行超声刺激；
脑电数据采集模块，用于采集一段超声刺激时的脑电信号；
解码模块，用于从采集的原始数据中提取出高频的超声刺激脑电信号，从超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和ROI低频脑电源信号。
其中，所述连续脉冲重复周期t2等于连续脉冲持续时间t1与脉冲重复间隔之和；所述超声刺激持续时间t3等于多组t2组合；所述超声刺激重复周期t4等于超声刺激持续时间t3与刺激重复间隔之和。
进一步地，所述从超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和低频ROI脑电源信号具体为：
超声刺激后的脑电信号为：
其中，ftFUS是超声频率，是vtFUS-eeg(t)的相位调制信号，env(t)是vtFUS-eeg(t)的幅值调制信号表示为：
其中，Veeg为脑电源信号，feeg是脑电频率，τm是feeg的各初相角，M为ROI特征脑电频率个数，根据vtFUS-eeg(t)得到的解析信号为：
幅值解码：
相位解码：
频率解码：
其中，
根据幅值、相位和频率解码结果，重构颅内低频ROI脑电源信号。
其中，所述最优超声刺激序列的中心频率为1-2MHz，初始脉冲声压幅值为20-40kPa，设定连续脉冲持续时间t1＝0.1～0.5ms，连续脉冲重复周期t2＝1～5ms，超声刺激持续时间 t3＝200ms，超声刺激重复周期t4＝5s，占空比为10％。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明设计的基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置结合了经颅聚焦超声的高空间分辨率优势和EEG信号的高时间分辨率优势，为无创高时空分辨率提取颅内ROI 脑电源信号提供了一种途径；
2、本发明基于被试的头部电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)/磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)扫描数据，建立了超声经颅聚焦仿真模型，提出一组最优超声刺激序列，保证了超声刺激的安全性、准确性和有效性；
3、本发明基于信号叠加平均、切比雪夫滤波等操作抑制噪声信号，并进一步提出了相应的ROI脑电源信号提取方法；
4、本发明设计的源信号提取装置不仅可以应用于EEG相关的研究中，也可用于其他存在生理源电流的组织中。
附图说明
图1为基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置的结构示意图；
图2为聚焦超声经颅刺激示意图；
图3为解码策略示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例根据聚焦超声可无创透射颅骨并准确聚焦于颅内预设靶点的特性，结合tFUS的高空间分辨率和脑电图(Electroencephalogram,EEG)的高时间分辨率，设计了一种可无创高时空分辨率提取颅内脑电源信号的检测装置。
其技术流程是：首先基于被试的头部CT/MRI扫描数据建立超声经颅聚焦仿真模型，通过对模型进行仿真确定换能器的最优超声刺激序列，然后对ROI进行超声刺激，同时采集被试EEG数据，最后进行预处理、带通滤波和源信号提取等解码操作。
图1为本发明的装置模块示意图，主要由：数据建模仿真模块、超声刺激模块、脑电数据采集模块和解码模块等部分组成。
一、数据建模仿真模块
由于颅骨是一种非均质结构，且个体间差异较大，故在超声刺激前需要根据被试头部的MRI/CT扫描数据建立头部仿真模型。根据不同的ROI目标，选择枕骨、顶骨或颞骨等不同的入射声窗，进而建立包含头皮、多层颅骨、脑脊液和脑组织等结构在内的超声经颅聚焦仿真模型，仿真模型如图2(a)所示。
基于Westervelt声波传播方程(式(1))和Pennes生物热传导方程(式(2))等方程计算超声波的传播路径及聚焦焦域，进而调控换能器的激励参数，使超声准确、安全聚焦于相应的ROI目标区域。
通过分析焦域位置、面积和形状等参数保证超声刺激的准确性，通过分析焦域温度、声压、声强(空间峰值脉冲平均声强Isppa和空间峰值时间平均声强Ispta等)和机械指数(Mechanical Index，MI)等参数保证超声经颅刺激的安全性。
本发明基于建模仿真结果提出一组最优超声刺激序列，如图1所示，示例使用Olympus A392S超声换能器(开口直径46mm，焦距64.5mm，f-number＝1.4)，超声刺激序列中心频率为1-2MHz，初始脉冲声压幅值为20-40kPa，分别设定连续脉冲持续时间t1＝0.1～0.5ms，连续脉冲重复周期t2＝1～5ms(即脉冲重复频率PRF＝200～1000Hz)，超声刺激持续时间 t3＝200ms，超声刺激重复周期t4＝5s，占空比为10％。
如图2(b)所示，超声经颅后准确聚焦于目标靶点，焦域长度为1.5～2.5mm，焦域最高声压0.296～0.592MPa，焦域温升可忽略不计，Isppa＝2.7～10.8W/cm2，Ispta＝10.8～43.2mW/cm2，MI＝0.235～0.47，无空化损伤风险。
其中，▽为拉普拉斯算子，p为声压，c为介质声速，ρ为介质密度，t为传播时间，为声波扩散系数，α为介质衰减系数，ω＝2πf为角频率，f为超声频率，β为声波非线性系数。
式(1)中，等式左边第一、二项表示线性波无损传播，第三项表示介质声波损耗，第四项表示声波的非线性传播特性。
其中，Cr为介质比热，T为温度，rec为介质热传导率，q为介质单位体积发热量，WB为血流灌注率，CB为血流比热。
二、超声刺激模块
超声刺激模块主要包括：上位机***、相位控制***、功率放大***和多阵元相控换能器等部分。其中，上位机***将第一部分中的数据建模仿真模块中得到的最优超声刺激序列通过串口发送给相位控制***，相位控制***按照最优超声刺激序列依次触发各阵元延时信号，并发送给功率放大***，功率放大***按照最优超声刺激序列生成具有相应幅值的阵元激励信号，分别激励多阵元相控换能器发射不同延时、幅值的超声波。
通过三维高精度电子调整架，示例采用WNMC400运动控制器将换能器置于仿真中对应位置，换能器发出的超声波可无创准确的聚焦于目标靶区，对颅内ROI进行超声刺激。
三、脑电数据采集模块
脑电数据采集需要在隔音良好、空气流通良好、无强光照且无电磁干扰的环境中采集。实验开始前，被试自主调整坐姿至最佳位置，然后主试为被试佩戴电极帽，调试所有导联的阻抗不大于5kΩ。
本发明中脑电信号采集示例使用Neuroscan Synamps2***，数据采集过程中以头顶区的Cz(中央点)导联作为参考电极，以前额区FPZ(额极中点)与FZ(额中点)连线的中心位置GND为地。***参数设置包括20000Hz的采样率，50Hz陷波滤波器滤波等。待被试脑电信号波形平稳后，采集一段超声刺激前的脑电信号用作参考，然后启动超声装置，按照仿真得到的最优刺激序列进行超声刺激，同时采集一段超声刺激时的脑电信号用于下一步解码模块。
四、解码模块
由于聚焦超声具有毫米级的空间分辨率，仅会刺激焦域内神经元区，而对周围区域没有任何影响，故超声刺激相当于为ROI的脑电信号打上一个“空间标记”。带有“空间标记”的脑电信号是一种与超声频率一致的高频信号，该高频信号的幅值、相位等受脑电源信号调制。
因此，解码模块首先从采集的原始数据中提取出高频的超声刺激脑电信号，然后从该高频的超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和低频脑电源信号。主要包括：数据预处理(降采样、降噪等)、高频带通滤波和提取ROI脑电源信号等操作，如图3所示。
(1)数据预处理
(i)降采样：降低数据量，提升计算速度。
(ii)降噪：假设一段时间内第k个试次中t时刻的EEG信号可表示为：
x(t,k)＝s(t)+n(t,k) (3)
其中，s(t)为目标脑电信号，n(t,k)为噪声信号，所以对N个试次进行叠加平均后可得：
由式(4)可知，随着试次N的增多，EEG中的噪声信号会越来越小，而目标脑电信号保持不变，从而提高了EEG信号的信噪比。
(2)高频带通滤波
对步骤(1)得到的超声刺激前/后脑电信号进行快速傅里叶变换(fast Fouriertransform， FFT)，分析其频域信号，使用滤波器对超声刺激频段进行高频带通滤波，去除低频信号，仅保留高频的超声刺激脑电信号。示例滤波器选用切比雪夫I型滤波器，其振幅在通带内是等波纹的，在阻带内是单调的，这样可降低滤波器的阶数。
切比雪夫I型滤波器的幅度平方函数为：
其中，ε为小于1的正数，ε越大，波纹越大；Ω/ΩC为Ω对ΩC的归一化频率，ΩC为截止频率；CN(x)是N阶切比雪夫多项式，定义为：
其中，ch为双曲余弦函数。
对于不同的超声刺激频段，分别设定相应的通带转折频率、阻带转折频率、通带纹波和阻带衰减等参数，进而滤波得到高频的超声刺激脑电信号。
(3)提取ROI脑电源信号
本发明提出了一种ROI脑电源信号提取方法，对步骤(2)高频带通滤波后得到的高频超声刺激脑电信号进行幅值、频率和相位解码等操作。在本发明中，超声刺激后的脑电信号可表示为：
其中，ftFUS是超声频率，是vtFUS-eeg(t)的相位调制信号，env(t)是vtFUS-eeg(t)的幅值调制信号(即包络)，可表示为：
其中，Veeg为脑电源信号，feeg是脑电频率，τm是feeg的各初相角。根据vtFUS-eeg(t)得到的解析信号为：
为简化表达，可表示为：
xtFUS-eeg(t)＝ENV(t)ejΦ(t) (10)
其中，
对比(7)式和(10)式，故幅值解码为：
相位解码为：
频率解码为：
根据得到的幅值、相位和频率等解码结果，进一步可基于公式(7)重构颅内ROI脑电源信号。
本发明设计了一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置。该项发明可以以高时空分辨率无创的提取颅内ROI脑电源信号，因而更具有市场应用场景，可以应用于EEG 的相关研究领域，有望获得可观的社会效益和经济效益。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (3)
1.一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，其特征在于，所述装置包括：
数据建模仿真模块，用于获取一组最优超声刺激序列，所述最优超声刺激序列包括：连续脉冲持续时间t1、连续脉冲重复周期t2、超声刺激持续时间t3、超声刺激重复周期t4，不同的刺激序列均会影响刺激效果；
超声刺激模块，采用最优超声刺激序列依次触发各阵元延时信号，按照最优超声刺激序列生成具有相应幅值的阵元激励信号，分别激励多阵元相控换能器发射不同延时、幅值的超声波可无创准确的聚焦于目标靶区，对颅内ROI进行超声刺激；
脑电数据采集模块，用于采集一段超声刺激时的脑电信号；
解码模块，用于从采集的原始数据中提取出高频的超声刺激脑电信号，从超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和ROI低频脑电源信号；
所述从超声刺激脑电信号中分离出高频超声信号和低频ROI脑电源信号具体为：
超声刺激后的脑电信号为：
其中，ftFUS是超声频率，是vtFUS-eeg(t)的相位调制信号，env(t)是vtFUS-eeg(t)的幅值调制信号表示为：
其中，Veeg为脑电源信号，feeg是脑电频率，τm是feeg的各初相角，M为ROI特征脑电频率个数，根据vtFUS-eeg(t)得到的解析信号为：
幅值解码：
相位解码：
频率解码：
其中，
根据幅值、相位和频率解码结果，重构颅内低频ROI脑电源信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，其特征在于，
所述连续脉冲重复周期t2等于连续脉冲持续时间t1与脉冲重复间隔之和；所述超声刺激持续时间t3等于多组t2组合；所述超声刺激重复周期t4等于超声刺激持续时间t3与刺激重复间隔之和。
3.根据权利要求2所述的一种基于经颅聚焦超声刺激的脑电源信号检测装置，其特征在于，所述最优超声刺激序列的中心频率为1-2MHz，初始脉冲声压幅值为20-40kPa，设定连续脉冲持续时间t1＝0.1～0.5ms，连续脉冲重复周期t2＝1～5ms，超声刺激持续时间t3＝200ms，超声刺激重复周期t4＝5s，占空比为10％。
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