一种多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化方法和系统技术方案

本发明专利技术是一种多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化方法和系统，用GPU并行化求解经颅时间干涉电刺激在每种电刺激参数下、在每个脑网格节点处的耦合电场强度，包括以下步骤：步骤1、在个性化大脑网格中提取目标脑区的网格特征，将其他部分作为无关脑区进行标记；步骤2、构建电刺激参数选择池，为经颅时间干涉电刺激构建电极位置和参数的组合矩阵，作为暴力求解算法的电刺激参数选择池；步骤3、利用GPU在每种电刺激参数下、在目标脑区每个网格格点上求解“空间两向量投影最小值问题”；步骤4、再次利用GPU求解低频耦合电场强度模长，得到多个优势电极参数；步骤5、通过增加电极数目，对预定比例的总电流进行再分配，优化出最终的参数组合。

【技术实现步骤摘要】
一种多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化方法和系统
本专利技术属于认知神经科学
，涉及脑部电刺激的仿真计算，尤其涉及一种个体化的多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化方法和系统。
技术介绍
传统的经颅电刺激按照电流的特性可以分为直流、交流和随机电刺激。本专利技术涉及的经颅时间干涉电刺激是自2017年以来提出的具有深部刺激特异性的新兴方法。在生理学作用原理方面，经颅电刺激一方面可以改变神经元的静息膜电位，可以促进和抑制动作电位的发放。另一方面可以影响大脑的内源性节律震荡，影响与之相关的神经活动。经颅时间干涉电刺激的作用原理与此两种情况类似。经颅电刺激效果和受试者个体化的大脑结构和目标脑区的位置非常相关。因此需要根据目标脑区个体化的最大化外加电场强度。经颅时间干涉电刺激是利用两个相差固定频率的高频交流电刺激叠加耦合而成(例如2010和2000Hz)。两者的频率差是预估起效的低频电场频率(10Hz)。由于神经元的结构特点，其对高频的外加电场的反应是微弱的。而耦合而成的电场包络线是低频的，此低频的外加电场被认为是可以影响神经元的功能结构的。其相对于传统经颅电刺激的主要优势在于低频电场的起效位置。传统经颅电刺激由于电场由输入电极形成，因此不可避免地在靠近电极的脑部位置出现更强的外加电场强度。这使得传统经颅电刺激仅仅在刺激“表面”脑区的时候有比较清晰的效果和机制。如果是“深层”目标脑区则不可避免地混淆其电流经过的浅层脑组织。经颅时间干涉电刺激的低频电场由于是耦合而成，其最大强度可以出现在大脑深部，因此克服了传统经颅电刺激的上述弊端。但是如何设计电流使得低频电场能够最适当的出现在目标脑区。这需要进行个体化的仿真优化。这也是本专利技术系统所解决的最主要问题。经颅时间干涉电刺激的仿真优化，有一些现有的解决方式。但是其核心问题是求解低频电场的包络振幅。而此包络振幅的求解是一个“空间两向量投影最小值问题”，见公式(1)。其解决的是指物理问题是在某个点上，两个高频电场如何求包络线的场强。此两种电场抽象成数学问题可以转化为两个3维向量的叠加问题。求包络问题可等价于求这两个向量在空间中任意方向内最小值的最大值。这个问题包含了最小值的求解，是数学上非光滑的，因此不能使用迭代法，只可以使用暴力求解。而这个解在脑部的每个网格节点和每种电极参数下都要求解。因此具有相当大的求解运算量。因此本系统专利技术首个目标就是使用GPU编程框架加速计算过程。另外之前提出的计算优化指标比较单一，仅包含峰比值，并不能很好的合理涵盖所有脑部节点。因此本系统还提出了其他合理优化指标。关于多导电极参数的设计。原理上经颅时间干涉电刺激应使用四个电极。每两个电极通过一种高频电流。但是通过电阻分离信号源，可以比较容易的在硬件上实现电压浮动，从而在每一种高频电流内部，使用多个电极以改变其整个大脑内部的电场分布。同时耦合而成低频电场分布也会得到改变。但是重新暴力计算多个电极的最优化问题会带来难以完成的计算量。
技术实现思路
本专利技术是一种多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化系统和方法，利用GPU高并行化暴力求解经颅时间干涉电刺激在每种电刺激参数下、在每个脑网格节点处的耦合电场强度，利用多种合理的优化指标进行设计多导经颅时间干涉电刺激参数，本专利技术给出一种依次至多分配30％电流给予新增电极的方案。由于耦合特性，每对新增电极各包含一种高频成分。本专利技术的技术方案为：一种多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化方法，包括以下步骤：步骤1、个性化的从大脑中提取目标脑区的网格特征，将其他部分作为无关脑区进行标记。个性化大脑网格来源于受试者个体头部磁共振影像。将脑电的10-10系统中的76个电极作为备选电极。为每个电极和参考电极间之间利用有限元方法计算单位电流下的引导场电场分布。步骤2、构建电刺激参数选择池。以上述76个电极，总电流设为2mA(实际应用不超过4mA)，电流分配最小精度为0.05mA为条件，为经颅时间干涉电刺激构建电极位置和参数的组合矩阵，作为暴力求解算法的电刺激参数选择池。步骤3、利用GPU在每种电刺激参数下、在目标脑区每个网格格点上通过求解“空间两向量投影最小值问题”，求解低频耦合电场强度模长。并依据网格提及进行加权平均。筛除电场强度小于预期阈限的参数组合。步骤4、再次利用GPU在上一步筛除后的余下电刺激参数下、在无关脑区每个网格格点上通过求解“空间两向量投影最小值问题”，求解低频耦合电场强度模长。并依据网格提及进行加权平均。依靠最大化目的脑区相对无关脑区的指数比例优化出最好的电极参数组合。步骤5、从经过优化的一定数目的“优势电极参数”中分配一定比例(30％)的电流给与多导成对电极，逐步进行多导电刺激参数的优化计算。实现从4导、6导到8导的电极参数优化求解。根据本专利技术的另一方面，还提出一种多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化系统，用于实现上述方法，包括：磁共振设备，用于对受试者扫描个体头部磁共振影像；脑电10-10系统，包括64个电极外加外周12个电极，共76个电极作为备选电极；GPU，用于并行化求解经颅时间干涉电刺激在每种电刺激参数下、在每个脑网格节点处的耦合电场强度，为每个电极和参考电极间之间利用有限元方法计算单位电流下的引导场电场分布。本专利技术的有益效果：本专利技术基于受试者个体化的大脑三维结构和待干预认知活动对应的目标脑区，为经颅时间干涉电刺激提供了最优化的电刺激参数方案，包括电极的位置选取和各电极的电流强度。具有较快的计算速度和合理化的计算优化指标。并且还可以提供包含多导(6或8)的电刺激参数方案，进一步强化优化结果。并且为了增加数据的有效利用率，减少内存读取时间。还利用了GPU中特有的并行规约和常量内存技术。极大的提高了计算速度，是CPU的100倍左右；虽然整体上都遵循目标脑区更大、无关脑区更小的电刺激原则。但是考虑到外加电场的均匀性、聚焦性、能量等维度，本专利技术给予了多种指标的计算窗口。附图说明图1为本专利技术一种多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化方法流程图；图2为经颅时间干涉电刺激原理示意图；图3为基于依据脑电10-10系统的76个备选电极位置分布图；图4为本专利技术中以脑岛为目标区域，不同电极数目的无关脑区强度优化结果对比图；图5为本专利技术中以脑岛为目标区域，不同优化指标的无关脑区强度优化结果对比图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。为方便描述，本实施方式以目标脑区为脑岛进行阐述。具体结果可以请参阅图1所示一种多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化方法流程、图4所示为不同电极数目的无关脑区强度优化结果对比，图5所示为不同优化指标的优化结果对比图。具体原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化方法，其特征在于：利用GPU并行化求解经颅时间干涉电刺激在每种电刺激参数下、在每个脑网格节点处的低频耦合电场强度，包括以下步骤：/n步骤1、在个性化大脑网格中提取目标脑区的网格特征，将其他部分作为无关脑区进行标记；所述个性化大脑网格来源于受试者个体头部磁共振影像；将脑电的10-10系统中的64个电极外加外周12个电极，共76个电极作为备选电极，为每个电极和参考电极间之间利用有限元方法计算单位电流下的引导场电场分布；/n步骤2、构建电刺激参数选择池，以上述76个电极，总电流设为2mA(实际应用不超过4mA)，电流分配最小精度为0.05mA为条件，为经颅时间干涉电刺激构建电极位置和参数的组合矩阵，作为暴力求解算法的电刺激参数选择池；/n步骤3、利用GPU在每种电刺激参数下、在目标脑区每个网格格点上通过求解“空间两向量投影最小值问题”，求解低频耦合电场，将每个网格点的低频耦合电场场强和其网格体积进行加权平均，筛除电场强度小于预期阈限的参数组合；/n步骤4、再次利用GPU在上一步筛除后的余下电刺激参数下、在无关脑区每个网格格点上通过求解“空间两向量投影最小值问题”，求解低频耦合电场强度模长，并依据网格体积进行加权平均，依靠最大化目标脑区相对无关脑区的指数比例优化出最好的电极参数组合，得到多个优势电极参数；/n步骤5、通过增加电极数目，对预定比例的总电流进行再分配，进一步优化多导经颅时间干涉刺激的脑部电场分布，在多导电极带来的多个参数组合数目中，优化出最终的参数组合。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多导经颅时间干涉电刺激电流参数的优化方法，其特征在于：利用GPU并行化求解经颅时间干涉电刺激在每种电刺激参数下、在每个脑网格节点处的低频耦合电场强度，包括以下步骤：
步骤1、在个性化大脑网格中提取目标脑区的网格特征，将其他部分作为无关脑区进行标记；所述个性化大脑网格来源于受试者个体头部磁共振影像；将脑电的10-10系统中的64个电极外加外周12个电极，共76个电极作为备选电极，为每个电极和参考电极间之间利用有限元方法计算单位电流下的引导场电场分布；
步骤2、构建电刺激参数选择池，以上述76个电极，总电流设为2mA(实际应用不超过4mA)，电流分配最小精度为0.05mA为条件，为经颅时间干涉电刺激构建电极位置和参数的组合矩阵，作为暴力求解算法的电刺激参数选择池；
步骤3、利用GPU在每种电刺激参数下、在目标脑区每个网格格点上通过求解“空间两向量投影最小值问题”，求解低频耦合电场，将每个网格点的低频耦合电场场强和其网格体积进行加权平均，筛除电场强度小于预期阈限的参数组合；
步骤4、再次利用GPU在上一步筛除后的余下电刺激参数下、在无关脑区每个网格格点上通过求解“空间两向量投影最小值问题”，求解低频耦合电场强度模长，并依据网格体积进行加权平均，依靠最大化目标脑区相对无关脑区的指数比例优化出最好的电极参数组合，得到多个优势电极参数；
步骤5、通过增加电极数目，对预定比例的总电流进行再分配，进一步优化多导经颅时间干涉刺激的脑部电场分布，在多导电极带来的多个参数组合数目中，优化出最终的参数组合。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：依靠目标脑区在统一脑模板中的定位，在个体化脑部网格中选取其所属对应网格，同时将大脑灰质网格中其他部分标记为无关脑区。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张效初，张为，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34