阅读说明：本技术 一种计算密集阵列tDCS定向调制最优电极刺激模式的方法 (A kind of method that computation-intensive array tDCS orientation modulates optimal electrode stimulating mode ) 是由 秦伟 杨群 郑斌 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种计算密集阵列tDCS定向调制最优电极刺激模式的新方法。特别地,我们优化了固定电极位置的密集阵列的刺激模式,以最大限度地提高ROI中特定方向的电流密度。我们对大脑中的电流功率、单个电极电流和总注入电流施加一组灵活的安全约束,以保护受试者的安全。(The invention discloses the new methods that a kind of computation-intensive array tDCS orientation modulates optimal electrode stimulating mode.Particularly, we optimize the stimulus modality of the closely spaced array of fixed electrode position, to improve the current density of specific direction in ROI to the maximum extent.We apply one group of flexible security constraint to current power, single electrode electric current and the total Injection Current in brain, to protect the safety of subject.)

一种计算密集阵列tDCS定向调制最优电极刺激模式的方法

技术领域：

本发明属于系统仿真领域，具体涉及一种计算密集阵列tDCS定向调制最优电极刺激模式的方法。

背景技术：

经颅直流电刺激系统的研究起源于20世纪60年代，是一种非侵袭性的脑刺激方法。经颅直流电刺激目前对各种脑疾病(脑卒中、癫痫、帕金森病、抑郁症、耳鸣、阿尔茨海默病等)的治疗具有重要的支持作用。此外，经颅直流电刺激在各种临床条件下，如患者对某些药物耐受性较低，或神经系统疾病缺乏足够的药物治疗时，有可能成为药物治疗的辅助疗法。在其他应用中，经颅直流电刺激已成功应用于健康受试者，改善认知功能、运动学习、分类学习、工作记忆。

利用弱的电流经颅刺激目标区域引起脑兴奋性的改变。经颅直流电刺激是通过置于颅骨的电极产生微弱直流电(通常260μA至2mA)的一种非侵入性脑刺激方法，因其一定程度上可改变皮质神经元的活动及兴奋性而诱发脑功能变化，因此作为一种无创而高效的脑功能调节技术，在治疗慢性疼痛、神经疾病、精神疾病等疾患中展示出极具潜力的价值。

由于经颅直流电刺激是利用放置在头皮上的电极来注入电流的，因此很难精确控制头部的电流流向，从而在目标脑感兴趣区域中获得所需的电流密度场。特别是由于头皮和脑脊液的分流作用，目前对目标脑区感兴趣区的输送是有限的。此外，仅仅控制目标脑区感兴趣区中电流密度的大小可能不足以达到预期的调制结果；电流方向也非常关键。这就增加了控制注入电流的难度。除此之外，受试者的舒适性和安全性也是需要谨慎注意的因素之一，以防止当前应用于头皮(如皮肤烧伤、瘙痒感觉)和大脑(如疲劳、头痛、磷酸酶)的意外后果。因此，研究人员和临床医生对提高经颅直流电刺激靶向性的准确性特别感兴趣，以便有效利用传递到大脑的电流，减少不良影响。

现有tDCS技术方案

(1)tDCS的刺激模式进展

早期的研究中采用两个圆盘电极进行模拟，两个电极之间相距52.4mm，以刺激初级运动皮层为目的，阳极置于C3上方，参考电极置于前额上方。这一刺激模式在文献中也常被称为单极刺激。临近电极刺激以两个相隔25mm的圆盘电极进行模拟，这一刺激模式与早期的双焦点刺激方式类似。三极刺激模式模拟了三个圆盘电极，每个电极之间相隔25mm，这大致相当于在CPz和Pz之间放置第一个阳极，C1上放置第二个阳极，C2上放置阴极，每个阳极上的电流相等，因此，阴极电流是阳极上电流值的两倍。带状电极采用带状阴极电极缠绕于前额(带状电极宽2mm，外半径为67mm，内半径为65mm)，阳极置于CZ。这一刺激方式也被称为单焦点刺激方式。近年来，由于对于tDCS研究的不断深入，环状电极、阵列电极等刺激模式也不断成为越来越多研究者的研究重点。

(2)tDCS的优化研究进展

传统的tDCS使用两个相对较大的贴片电极(25-35cm²)将电流传输到脑ROI。在传统的tDCS中，提高靶向性的一种方法是是优化这两个贴片电极的位置。最优位置可能会根据目标刺激位置的最大聚焦性或方向性而变化。当刺激的目的是将目标区域的电场强度最大化时，为了达到目的，需要不断调整刺激电极的模式。例如，通过标准式的两个贴片电极，调制皮层目标区域—初级运动皮层时，阳极置于初级运动皮层，阴极置于眼眶上的区域方式并不是最优的。

与传统tDCS相比，提高调制聚焦的另一种方法是使用由大量较小电极(接触面积为1-2cm²)组成的密集电极阵列代替传统的贴片电极，也称为密集阵列tDCS。

在前人的研究中，Im和同事们曾提出了一种优化两个贴片电极位置的方法，然后通过优化算法来确定4×4电极阵列上的电流，该电极阵列取代了传统的阳极贴片，从而获得了更高的目标焦度，但是他们的方法并没有提供全局性的解决方案。随后，Sadleir和他的同事采用了通过19个大贴片电极阵列(电极的接触面积为22cm²)形成电流，从而使ROI中的平均电流密度最大化的想法^[52]，在这一方法中，研究者对非施加刺激的目标区域的电流应用了安全约束，包括具有颅外电极的能力，然而，他们的方法也没有找到一个独特的和全局的解决方案，这限制了它的通用性。Dmochowski和他的同事研究了各种提供独特的全局刺激模式的问题公式^[53]，通过这一方法，作者计算出了最佳的电极刺激模式，通过这一模式可以增加对于目标区域的聚焦度或调制的电场强度强度。Ruffini和同事的优化过程是首先用遗传算法确定电极数量和位置，然后用最小二乘法优化电极电流^[54]。他们的方法使用了27个潜在的电极位置，然而，由于遗传算法的步骤，扩展到包含更多电极的阵列并不现实。

传统技术方案的缺陷

1)大片电极发散，刺激不准确

传统的经颅直流电刺激(tDCS)的空间分辨率被认为是相对扩散的，由于头骨分散。然而，由于组织结构/传导性，尤其是脑脊液(CSF)的细节，电场可能集中在不同的脑区/脑沟。

2)致密电极头皮区域的电流密度过高

也有研究使用了比贴片电极小得多的电极组成的密集阵列，利用这一致密电极方式，能够有效提高电极的聚焦性，从而达到控制刺激区域的目的，但由于电极与头皮之间的接触面积较小，这可能导致电极边缘的电流密度较高，影响患者的治疗体验。

3)安全性问题

由于头部的电流流动由于解剖结构、组织特征、电极位置和形状等因素而非常复杂，在盲目给患者输入电刺激的过程中，很有可能会由于经验不足，而将电流过渡输入到大脑的关键区域，造成局部功率过大，从而造成安全问题。因此可能需要在特定的设置中增加电流功率约束，以防止电流过度输送到大脑的关键区域。虽然在这里我们只限制了ROI之外大脑中的当前功率，但是优化问题很容易合并多个关键区域，每个区域都有自己的安全界限，从而允许灵活地定义特定于主题的关键区域。

4)传统电极设置无法应对个体差异

传统的垫片刺激导致弥散调制，所有受试者之间的垫之间有最大电流流动。对于一个受试者，在垫的正下方有高电流流动，而峰值引起的皮质电流的位置是可变的。这些数据表明，根据别是情况进行特定的建模可以促进一致和更有效的tDCS。同时，由于人们的脑部组织结构具有很大的差异性，当进行靶向刺激时，单一刺激模式对不同的模型诱发的电场也各不相同。

发明内容

：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种计算密集阵列tDCS定向调制最优电极刺激模式的方法。特别地，我们优化了固定电极位置的密集阵列的刺激模式，以最大限度地提高ROI中特定方向的电流密度。我们对大脑中的电流功率、单个电极电流和总注入电流施加一组灵活的安全约束，以保护受试者的安全。

一种计算密集阵列tDCS定向调制最优电极刺激模式的方法，按照如下步骤：

(1)采集核磁共振结构像数据；

(2)数据重建；

(3)利用高斯混合模型进行头部组织的划分；

(4)对分割后的每一部分组织通过区域增长算法、洪泛填充算法对组织结构进行进一步细致构建；

(5)对新生成的各部分组织进行CAD组装，并进行有限元网格划分；

(6)目标脑区的定位和坐标空间转换；

(7)设立电场仿真的边界条件进行仿真求解；

(8)目标函数与约束条件的构建；

(9)求解凸约束优化模型函数。

按照如下步骤：

(1)目标函数构建：

目标函数优化的电量为电极的电流值，将其定义为：

其中，L为电极总数目，下面的公式为在tdcs中，针对目标区域可以实现的目标函数：

这一目标函数沿着特定的电场方向，可在特定的方向上获得最大的电流密度。

所述的方法：

(1)约束条件

在建立优化条件的函数中，

通过该函数，限制进入头部的总电流；

I_min≤I≤I_max

通过每个电极所施加的电流由其相应的上下限限定；每个电极都有自己的上界和下界，会随着电极的位置和大脑中的关键区域而变化；

||J_p||₂≤d_p

将局部电流密度大小限制在位置p；我们将此约束应用于ECoG刺激，以防止电流密度热点贯穿整个大脑；同样的约束条件也可用于密集阵列tDCS，以防止头皮上某一点过热；

||E_P||₂≤e_P

这个约束不是电流密度，而是局部地约束电场的大小；虽然这一约束类似于式4.8，但如果头部模型包含各向异性，它们是不等价的；

这一函数将脑内的电流限制在ROI之外；这一约束可以推广到限制电流功率在头部的某些关键区域。

本发明的有益效果：优化了固定电极位置的密集阵列的刺激模式，以最大限度地提高ROI中特定方向的电流密度。我们对大脑中的电流功率、单个电极电流和总注入电流施加一组灵活的安全约束，以保护受试者的安全。

附图说明:

图1是脑部组织结构图；

图2是头模型结构图；

图3是目标脑区定位图；

图4是脑部电场分布图；

图5是流程图。

具体实施方式

：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合实例，如图5，对本发明进行了详细说明，步骤如下：

1)扫描核磁共振结构像数据(本案例中使用的是精神***患者的数据)

2)对核磁数据进行格式转换，并进行脑部组织基础分割，分割成头皮、颅骨、脑脊液、灰质、白质成分。如附图1所示，分割得到的基础组织。

3)对分割出来的组织进行滤波、平滑、孤点去除、布尔运算等操作，进行细致化处理，并将表面模型实体化转换和CAD拼接组装。从而得到真实的头模型结构。如附图2所示为头模型结构。

4)对头模型进行以脑电的10-10系统为基础的电极配置，及有限元网格化划分，施加电场仿真条件，并进行基础解的仿真计算。

5)对待优化的目标脑区进行脑区定位。如附图3所示为脑区定位图。

6)对得到的基础解的结构设立目标函数和优化条件，进行有约束的线性优化迭代求解过程计算，并得到相应的优化后的电极位置和注入电流大小。

我们以优化的区域为背外侧前额叶为例，这一区域在皮质中呈“弓”形，覆盖体积占据灰质总成分的7.07％，且分布于皮质表层，在优化过程中，我们选择让左侧背外侧前额叶获得最大正向电流密度，右侧背外侧前额叶获得反向的电流密度。所以我们选择了该目标函数

实现优化。通过这一方法，我们并不需要一个确定的目标区域所要达到的电流的大小。如图附4所示为计算得到的电极位置和诸如电流分布情况，以及优化后的脑部电场分布图。

优化系统设计流程如下：

(1)采集核磁共振结构像数据；

(2)数据重建；

(3)利用高斯混合模型进行头部组织的划分；

(4)对分割后的每一部分组织通过区域增长算法、洪泛填充算法等对组织结构进行进一步细致构建；

(5)对新生成的各部分组织进行CAD组装，并进行有限元网格划分；

(6)目标脑区的定位和坐标空间转换；

(7)设立电场仿真的边界条件进行仿真求解；

(8)目标函数与约束条件的构建；

(9)求解凸约束优化模型函数。

优化设计过程如下：

表4-1 符号说明

(2)目标函数构建：

目标函数优化的电量为电极的电流值，我们将其定义为：

其中，L为电极总数目，下面的公式为在tdcs中，针对目标区域可以实现的目标函数：

这一目标函数沿着特定的电场方向，可在特定的方向上获得最大的电流密度。

(2)约束条件

在建立优化条件的函数中，我们考虑了进入头部的总电流、头部表面局部电流过大(第三章仿真中出现的边缘电流过大问题)、单个电极的电流等。

通过该函数，限制进入头部的总电流。

7_min≤I≤I_max

通过每个电极所施加的电流由其相应的上下限限定。每个电极都有自己的上界和下界，这可能会随着电极的位置和大脑中的关键区域而变化。

||J_p||₂≤d_p

将局部电流密度大小限制在位置p。我们将此约束应用于ECoG刺激，以防止电流密度热点贯穿整个大脑。同样的约束条件也可用于密集阵列tDCS，以防止头皮上某一点过热。

||E_P||₂≤e_p

这个约束不是电流密度，而是局部地约束电场的大小。虽然这一约束类似于式4.8，但如果头部模型包含各向异性，它们是不等价的。

这一函数将脑内的电流限制在ROI之外。这一约束可以推广到限制电流功率在头部的某些关键区域。

在前人的研究中，对于电场优化方向的选择不一，切向场、径向场作为主要的研究内容，除此之外，根据脑区的特定位置，对于特定方向电场的研究也是一大内容。在计算特定方向的电场强度的过程中，我们为了获得电场强度在这一方向上的分量，需要根据已知向量场的方向和电场强度的大小，并在这一特定的方向进行投影即可。

1.1.1计算效率的优化

我们假设，在ROI区域内，每个单独的单元中所期待方向的电场值被看做为常数，优化函数中的积分则变成了加权和。我们计算了这些积分，并将它们简化为电极电流阵列的线性和的二次函数，通过这样，整体的优化问题则演变成了如下：

该式约束于如下条件：

约束条件一：

I^TQI≤p_max

约束条件二：

||I||₁≤2I_max

约束条件三：

I_min≤I≤I_max

在这里，将矩阵w看做权值数组，表示每个点击电流对ROI方向电流密度的相关性。矩阵Q将这些电极电流与ROI外的大脑电流联系到一起。由于目标函数和约束优化条件都是凸优化问题，因此，具有唯一的全局解。在求解过程中，我们使用了matlab中的工具包CVX。参照前人研究，本次仿真模拟中，将进入头部的总电流限制在2mA，每个电极的电流被限制在0.50mA，ROI外的电流被限制在10^-6A²/m。通过这组约束条件，我们展开了对于约束条件与最佳刺激模式之间相互作用方式的研究。