專利名稱：基于頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)的腦磁源定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于腦磁源定位的方法，尤其涉及一種基于頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)的腦 磁源定位方法。
背景技術(shù)：
大腦皮層中的神經(jīng)元細(xì)胞活動(dòng)時(shí)，會(huì)有微弱的電流在神經(jīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生。當(dāng)一定數(shù) 量的神經(jīng)元同步活動(dòng)產(chǎn)生的電流達(dá)到一定程度時(shí)，就可以利用測(cè)量?jī)x器檢測(cè)到其激發(fā)出的 微弱磁場(chǎng)信號(hào)。腦磁源定位就是利用測(cè)量所得頭外腦磁信號(hào)來定位腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)源的一項(xiàng) 前沿技術(shù)。高精度的腦磁源定位具有非常重要的意義，它可為準(zhǔn)確的醫(yī)學(xué)病灶定位、腦功能 研究等提供有力的技術(shù)支撐。由于大腦內(nèi)部神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的腦磁場(chǎng)信號(hào)非常微弱，約為 地球磁場(chǎng)的億萬分之一(約為IOOfT),測(cè)量所得腦磁場(chǎng)數(shù)據(jù)往往夾雜有大量的環(huán)境噪聲，目 前采用的腦磁源定位方法是用磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量頭外部表層腦磁場(chǎng)法向磁通密度，結(jié)合 腦磁源非線性反解優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)的，這樣所得的腦磁源定位精度往往不盡如人意。根據(jù)概 率論統(tǒng)計(jì)理論可知，進(jìn)行腦內(nèi)神經(jīng)元活動(dòng)逆向求解時(shí)的樣本點(diǎn)，即已知頭外部腦磁場(chǎng)分布 的有效信息量，決定了腦磁源定位精度，即獲取的頭外部腦磁場(chǎng)有效信息越多則反解所得 的腦磁源具有更高的定位精度。現(xiàn)有提高腦磁源定位精度的方法主要是通過增加測(cè)量傳感 器的測(cè)量通道數(shù)，以此獲得更多的頭外部表層腦磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，增大腦磁源定位的非線性 反解所需的樣本信息量，從而獲得高精度的腦磁源定位信息。然而，頭部表層面積是有限， 同時(shí)測(cè)量傳感器不可能無限小，因此靠這種方法大規(guī)模地提高測(cè)量數(shù)據(jù)量是不可能。同時(shí) 測(cè)量傳感器測(cè)量通道數(shù)的增多使得測(cè)量?jī)x器設(shè)備和腦磁信號(hào)處理設(shè)備的成本大大提高，如 何高精度、高效、便捷地獲得含有更多有效信息的頭外腦磁場(chǎng)分布信息，實(shí)現(xiàn)腦磁源的高精 度定位一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了獲得具有更高空間分辨率和定位精度的腦磁源信息，本發(fā)明提供了一種基于 頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)的腦磁源定位方法，對(duì)腦磁信號(hào)源的定位方法進(jìn)行了研究，為高精度、高 效、便捷地進(jìn)行腦磁源定位提供了一種有效的方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案的步驟如下1)基于大腦內(nèi)部神經(jīng)元活動(dòng)在頭外空間產(chǎn)生相應(yīng)磁場(chǎng)，通過磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量頭外 部表層法向磁通密度分布；2)以頭外部表層法向磁通密度為邊界條件重構(gòu)出頭外空間的三維腦磁場(chǎng)分布；3)聯(lián)合頭外部表層測(cè)量所得腦磁場(chǎng)法向磁通密度數(shù)據(jù)與重構(gòu)所得頭外空間的三維腦 磁場(chǎng)分布相對(duì)頭皮的法向磁通密度數(shù)據(jù)，對(duì)腦內(nèi)活動(dòng)神經(jīng)元，即腦磁源，的空間位置、姿態(tài) 與強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行逆向求解，實(shí)現(xiàn)腦磁源定位。所述步驟1)中磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量頭外部表層法向磁通密度分布，是利用不含導(dǎo) 磁材料的磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量頭外部表層法向磁通密度分布，以保證頭外空間磁場(chǎng)的無旋特性。所述步驟2)中頭外空間的三維腦磁場(chǎng)分布的重構(gòu)，是基于頭外空間磁場(chǎng)的無旋特 性，以標(biāo)量磁勢(shì)拉普拉斯方程描述該部分空間磁場(chǎng)，以磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量所得頭外部表 層法向磁通密度分布為邊界條件求解該拉普拉斯方程，從而重構(gòu)出頭外空間的三維腦磁場(chǎng) 分布，所需重構(gòu)的頭外空間磁場(chǎng)位置點(diǎn)的選取以所在位置處信噪比為判定依據(jù)。所述步驟3)中腦內(nèi)活動(dòng)神經(jīng)元，即腦磁源，采用電偶極子模型進(jìn)行參數(shù)化描述， 以電偶極子三維空間位置坐標(biāo)、三維空間指向及偶極矩強(qiáng)度共7個(gè)參數(shù)描述腦磁源定位信 息，基于非線性迭代優(yōu)化算法逆向求解電偶極子參數(shù)，使參數(shù)計(jì)算所得的頭外部表層腦磁 場(chǎng)法向磁通密度分布及頭外空間腦磁場(chǎng)分布與實(shí)際測(cè)量、重構(gòu)所得數(shù)據(jù)誤差最小，優(yōu)化所 得電偶極子參數(shù)即為腦磁源定位信息。本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益效果是利用個(gè)數(shù)有限的測(cè)量傳感器所得頭外部表層腦磁場(chǎng)法向磁通密度數(shù)據(jù)，重構(gòu)出頭外空 間的三維腦磁場(chǎng)分布，聯(lián)合頭外部表層測(cè)量所得腦磁場(chǎng)法向磁通密度數(shù)據(jù)與重構(gòu)所得頭外 空間腦磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，對(duì)腦內(nèi)活動(dòng)神經(jīng)元的空間位置、姿態(tài)與強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行逆向求解，實(shí)現(xiàn) 腦磁源高精度定位，為腦磁源定位提供了一種高精度、高效、便捷的方法。


圖1是本發(fā)明的頭球模型下電偶極子磁場(chǎng)分布示意圖。圖2是本發(fā)明的頭外部表層腦磁場(chǎng)測(cè)量示意圖。圖3是本發(fā)明的頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)區(qū)域及其邊界示意圖。圖4是本發(fā)明的用于腦磁源定位的頭外空間磁場(chǎng)位置點(diǎn)示意圖。圖5是本發(fā)明的基于頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)的腦磁源定位流程圖。圖中1.電偶極子，2.電偶極子激發(fā)的磁場(chǎng)，3.球?qū)ΨQ導(dǎo)體模型，4.不含導(dǎo)磁材 料的磁場(chǎng)測(cè)量傳感器，5.頭外部表層腦磁場(chǎng)信息已知邊界，6.頭外部表層腦磁場(chǎng)信息未知 邊界，7.頭外部腦磁場(chǎng)重構(gòu)遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，8.腦磁場(chǎng)重構(gòu)空間，9.腦磁源定位所需頭外空間磁場(chǎng)位置點(diǎn)，①.測(cè)量所得頭外部表層腦磁場(chǎng)信息，(I ·頭外空間腦磁場(chǎng)重構(gòu)，(E .腦磁源定位所需頭外空間磁場(chǎng)位置點(diǎn)選取，@ .重構(gòu)所得頭用于腦磁源定位的頭外空間腦磁場(chǎng)信息，頭外表層測(cè)量點(diǎn)及頭外空間重構(gòu)點(diǎn)腦磁場(chǎng)分布的計(jì)算值，(E.目標(biāo)函數(shù)，( .腦磁 源參數(shù)，⑧.腦磁源定位信息。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明?；诖竽X內(nèi)部神經(jīng)元活動(dòng)在頭外空間產(chǎn)生相應(yīng)磁場(chǎng)，通過磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量頭 外部表層法向磁通密度分布；以頭外部表層法向磁通密度為邊界條件重構(gòu)出頭外空間的三 維腦磁場(chǎng)分布；聯(lián)合頭外部表層測(cè)量所得腦磁場(chǎng)法向磁通密度數(shù)據(jù)與重構(gòu)所得頭外空間 的三維腦磁場(chǎng)分布相對(duì)頭皮的法向磁通密度數(shù)據(jù)，對(duì)腦內(nèi)活動(dòng)神經(jīng)元，即腦磁源，的空間位置、姿態(tài)與強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行逆向求解，實(shí)現(xiàn)腦磁源定位。本發(fā)明的工作原理如下將頭部簡(jiǎn)化為球?qū)ΨQ導(dǎo)體模型3，采用電偶極子1對(duì)腦磁源進(jìn)行參數(shù)化描述的模型P如下P-F (X0，Joj Z0，Xori0，YoriO Zori0，其中F— 以 x〇、y〇、Z〇、Xori0、YoriO^ ^oriO 為自變量的函數(shù)； x0>y0>z0—電偶極子1的空間位置坐標(biāo)參數(shù)； xori0> YoriO> Zori0——電偶極子1的姿態(tài)參數(shù)； Q~電偶極子1的偶極矩強(qiáng)度參數(shù)。如圖1、圖5所示，腦磁源等效模型電偶極子1周圍會(huì)有微弱的電偶極子激發(fā)的磁 場(chǎng)2，該磁場(chǎng)的空間分布由電偶極子的空間位置、姿態(tài)與強(qiáng)度參數(shù)決定。如圖2所示，由不含導(dǎo)磁材料的磁場(chǎng)測(cè)量傳感器4測(cè)量所得頭外部表層腦磁場(chǎng)信息Cl:,以此為邊界條件進(jìn)行頭外空間腦磁場(chǎng)重構(gòu)②。如圖4所示，腦磁源定位所需頭外空間磁場(chǎng)位置點(diǎn)9的選取，即腦磁 源定位所需頭外空間磁場(chǎng)位置點(diǎn)選?、凼且运谖恢锰幮旁氡葹榕卸ㄒ罁?jù)進(jìn)行的，從而獲 得重構(gòu)所得頭用于腦磁源定位的頭外空間腦磁場(chǎng)信息④。以頭外部表層測(cè)量點(diǎn)及頭外空間重構(gòu)點(diǎn)腦磁場(chǎng)分布的計(jì)算值⑤與測(cè)量所得頭外部表層腦磁場(chǎng)信息G〕與重構(gòu)所得頭用于腦磁源定位的頭外空間腦磁場(chǎng)信息④之間的誤差為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)⑥，對(duì)目標(biāo)函數(shù) ⑥通過常規(guī)的非線性迭代優(yōu)化算法進(jìn)行非線性最小優(yōu)化，具體優(yōu)化過程如下基于電偶極 子的參數(shù)化模型反復(fù)調(diào)整腦磁源參數(shù)進(jìn)行腦磁場(chǎng)正計(jì)算，獲得相應(yīng)的頭外部表層測(cè)量點(diǎn)及 頭外空間重構(gòu)點(diǎn)腦磁場(chǎng)分布的計(jì)算值，基于優(yōu)化準(zhǔn)則，使得目標(biāo)函數(shù)⑥最小的腦磁源參數(shù) 即為腦磁源定位信息⑧。頭外空間腦磁場(chǎng)重構(gòu)原理如下如圖3所示，基于頭外部腦磁場(chǎng)重構(gòu)空間8的無旋特性，以標(biāo)量磁勢(shì)U的拉普拉斯方程 描述該部分空間磁場(chǎng)，如下 AU2 = O基于以下邊界條件求解拉普拉斯方程，獲得腦磁場(chǎng)重構(gòu)空間8的三維腦磁場(chǎng)分布。邊 界條件設(shè)定具體如下(1)頭外部表層腦磁場(chǎng)信息已知邊界5為第二類邊界條件，設(shè)定該邊界上標(biāo)量磁勢(shì)的 法向?qū)?shù)為頭外部表層測(cè)量腦磁場(chǎng)信息①；(2)頭外部表層腦磁場(chǎng)信息未知邊界6為第二類邊界條件，設(shè)定標(biāo)量磁勢(shì)在該邊界上 的法向?qū)?shù)為O ；(3)頭外部腦磁場(chǎng)重構(gòu)遠(yuǎn)場(chǎng)邊界7為第一類邊界條件，設(shè)定該邊界上標(biāo)量磁勢(shì)為O。由于重構(gòu)對(duì)測(cè)量邊界夾雜的噪聲有濾波效果，故重構(gòu)所得頭用于腦磁源定位的頭 外空間腦磁場(chǎng)信息④具有更好的信噪比。根據(jù)概率論統(tǒng)計(jì)的相關(guān)知識(shí)可知，已知頭外腦磁 場(chǎng)信息越多則目標(biāo)函數(shù)⑥進(jìn)行非線性最小優(yōu)化所得的腦磁源電偶極子1的各項(xiàng)參數(shù)就越 接近真實(shí)的腦磁源電偶極子1的各項(xiàng)參數(shù)，因此重構(gòu)所得頭用于腦磁源定位的頭外空間腦 磁場(chǎng)信息④的獲得使得腦磁源定位反解所需的樣本數(shù)增加。重構(gòu)信息的獲得以及重構(gòu)信息點(diǎn)信噪比的改善都使得用于腦磁源定位的樣本群有效信息含量增加，故而可實(shí)現(xiàn)腦磁源高 精度定位。
權(quán)利要求
1.一種基于頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)的腦磁源定位方法，其特征在于該方法的步驟如下1)基于大腦內(nèi)部神經(jīng)元活動(dòng)在頭外空間產(chǎn)生相應(yīng)磁場(chǎng)，通過磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量頭外 部表層法向磁通密度分布；2)以頭外部表層法向磁通密度為邊界條件重構(gòu)出頭外空間的三維腦磁場(chǎng)分布；3)聯(lián)合頭外部表層測(cè)量所得腦磁場(chǎng)法向磁通密度數(shù)據(jù)與重構(gòu)所得頭外空間的三維腦 磁場(chǎng)分布相對(duì)頭皮的法向磁通密度數(shù)據(jù)，對(duì)腦內(nèi)活動(dòng)神經(jīng)元，即腦磁源，的空間位置、姿態(tài) 與強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行逆向求解，實(shí)現(xiàn)腦磁源定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)的腦磁源定位方法，其特征在 于所述步驟1)中磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量頭外部表層法向磁通密度分布，是利用不含導(dǎo)磁 材料的磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量頭外部表層法向磁通密度分布，以保證頭外空間磁場(chǎng)的無旋特 性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)的腦磁源定位方法，其特征在 于所述步驟2)中頭外空間的三維腦磁場(chǎng)分布的重構(gòu)，是基于頭外空間磁場(chǎng)的無旋特性， 以標(biāo)量磁勢(shì)拉普拉斯方程描述該部分空間磁場(chǎng)，以磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量所得頭外部表層法 向磁通密度分布為邊界條件求解該拉普拉斯方程，從而重構(gòu)出頭外空間的三維腦磁場(chǎng)分 布，所需重構(gòu)的頭外空間磁場(chǎng)位置點(diǎn)的選取以所在位置處信噪比為判定依據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)的腦磁源定位方法，其特征在 于所述步驟3)中腦內(nèi)活動(dòng)神經(jīng)元，即腦磁源，采用電偶極子模型進(jìn)行參數(shù)化描述，以電偶 極子三維空間位置坐標(biāo)、三維空間指向及偶極矩強(qiáng)度共7個(gè)參數(shù)描述腦磁源定位信息，基 于非線性迭代優(yōu)化算法逆向求解電偶極子參數(shù)，使參數(shù)計(jì)算所得的頭外部表層腦磁場(chǎng)法向 磁通密度分布及頭外空間腦磁場(chǎng)分布與實(shí)際測(cè)量、重構(gòu)所得數(shù)據(jù)誤差最小，優(yōu)化所得電偶 極子參數(shù)即為腦磁源定位信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)的腦磁源定位方法。該方法基于大腦內(nèi)部神經(jīng)元活動(dòng)在頭外空間產(chǎn)生相應(yīng)磁場(chǎng)，通過磁場(chǎng)測(cè)量傳感器測(cè)量頭外部表層法向磁通密度分布；以外部表層法向磁通密度為邊界條件重構(gòu)出頭外空間的三維腦磁場(chǎng)分布；聯(lián)合頭外部表層測(cè)量所得腦磁場(chǎng)法向磁通密度數(shù)據(jù)與重構(gòu)所得頭外空間的三維腦磁場(chǎng)分布的相對(duì)頭皮的法向磁通密度數(shù)據(jù)，對(duì)腦內(nèi)活動(dòng)神經(jīng)元，即腦磁源，的空間位置、姿態(tài)與強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行逆向求解，實(shí)現(xiàn)腦磁源定位。與傳統(tǒng)的腦磁源定位方法相比，該方法通過頭外空間磁場(chǎng)重構(gòu)使腦內(nèi)神經(jīng)元活動(dòng)逆向求解時(shí)的樣本點(diǎn)大大增加，并利用磁場(chǎng)重構(gòu)對(duì)測(cè)量噪聲的濾波作用使樣本群的有效信息含量提高，使腦磁源定位具有更高精度。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102048536SQ201110024299
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2011年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月22日
發(fā)明者付新, 劉偉庭, 申慧敏, 胡亮 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)