高精度脑部经颅直流电刺激系统中关键问题研究

摘要

本文研究内容：

1、首先使用功能磁共振影像数据和结构磁共振影像数据，分别研究了功能型靶点和结构型靶点的确定问题，为刺激位置的确定提供技术支持；（方法：CV-LASSO 方法和级联的深度学习模型）

2、本文使用基于 10/10 脑电电极分布的 Dense array tDCS 的刺激模式，研究了多目标脑区情况下 tDCS 系统中各个电极的电流优化问题，为实现多目标脑区高精度刺激提供了技术支持; （方法：加权MLS 和加权 ME 优化策略）

3、本文使用 National Sleep Research Resource 公开数据库中 Sleep Heart Health Study (SHHS)数据集，研究了基于睡眠 EEG 数据的自动睡眠阶段划分问题，为在睡眠过程中实时地进行 t DCS 刺激提供技术支持。（方法：基于 LSTM网络的睡眠阶段划分算法）

第一章绪论

1.1 引言

实现高精度的 tDCS 脑刺激需要研究以下三个方面：

1、如何定位刺激靶点；

2、如何精确地刺激到靶点；

3、何时进行刺激比较合适，以及如何判定刺激时机的出现。

功能性靶点：通过静息态或任务态 fMRI 影像数据寻找出来的
差异脑区几乎大同小异，而在不同疾病或任务的研究中，差异脑区会将随疾病或任务的不同发生变化。因此，将这些差异脑区定义为刺激靶点具有一定的科学依据，由于这类靶点通常跨越多个脑区，涉及不同的大脑功能，因此可以将这类靶点定义为功能型靶点。

静息态功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）以及任务态 fMRI影像更加适合用于刺激靶点的确定，因为前者多用来寻找正常人与病人之间存在
差异的脑区，而后者多用来寻找那些引起正常人在特定任务中出现差异的脑区。

结构性靶点：如果需要将大脑内某些具体的脑区或组织（比如丘脑，肿瘤等）定位成靶点并进行刺激，需要使用空间分辨率更高的结构磁共振影像（MRI）进行靶点定位。因此，研究如何从结构 MRI 影像中提取特定脑区或组织的方法也具有一定的科学意义。由于这类靶点在大脑内具有一定的结构形态，因此可以将这类靶点定义为结构型靶点。

靶点确定后，如何精确地将电刺激引导至靶点位置则是高精度 tDCS 脑刺激研究的重点问题。最小二乘法（MLS）和最大场强法（ME）优化策略仅实现了单个脑区的刺激，将上述方法拓展至多个目标脑区的精确刺激具有一定的意义。

1.2 国内外研究现状

在头皮表面布置多个或多对电极对整个头皮进行全方位覆盖，通过给这些电极注入不同大小的电流，利用电场在大脑内部的叠加原理，实现高精度刺激，称作Dense Array tDCS。在 Dense Array tDCS 的研究中，N 个或 N 对电极通常按照 EEG 10/20 或 10/10 系统的映射方式摆放在整个头皮表面，而每个电极应注入的电流强度则是根据给定的目标刺激脑区，通过一定的优化策略计算出来的。

高分辨率tDCS研究经典方法：

1、4×1环形电极对。这种电极对由5 个直径为 1cm 的圆形电极构成，4 个阴极，一个阳极，阳极放置于目标刺激脑区上方的头皮区域，4 个阴极放置在阳极 4 周，与阳极呈“十”或“×”字形；

2、双环形电极。这种电极配置由一个圆形阳极和一个环形的阴极
构成，阳极置于目标刺激脑区上方头皮区域，环形的阴极则置于阳极外侧，以阳极的圆心为圆心，与阳极构成同心圆。

Dense Array tDCS研究方法：

1、最小二乘法（Dmochowski团队）：最小化期望电场分布与估计出的电场分布之间的误差平方和，这种优化策略需要同时确定期望电场分布强度和方向。通常，期望电场分布的方向定为目标脑区的径向或者切向方向，而期望电场强度的确定则需要进行网格搜索，以实现特定需求，但这一过程通常比较费时。

2、最大强度法（Guler团队）：这种优化策略只需要指定目标区域期望电场分布的方向即可。

3、在多目标脑区优化方面，Dmochowski 提出了一种基于 MLS 的多目标优化策略，该策略通过头皮各电极记录的 EEG 电势信号（μV ），给与生成这些 EEG波形的神经元一定程度的电刺激。虽然该研究是 EEG 与 tDCS 结合的一次尝试，但是这种优化模式无法指定目标刺激脑区。

4、Ruffini 团队首次提出了多聚焦经颅电刺激的概念。在该概念下，大脑中的每一个体素均可以按照一定的刺激模式给与相应程度电刺激，比如根据 fMRI 影像结果中的 T 检验激活图，或者弥散张量影像（diffusion tensor imaging，DTI）中的表观弥散系数图（apparent diffusion coefficient，ADC）等等。虽然Ruffini 团队在该研究中使用 MLS 策略简单地实现了该刺激模式，但是从结果上看，其刺激精度还远远不够。