李 東 柳 淵 孫 偉 白 玫*

基于腦磁信號的頭部三維能量分布模型研究*

李 東①柳 淵①孫 偉②白 玫①*

目的：通過分析處理腦磁數(shù)據(jù)，顯示全腦三維能量分布，以期準確的反映腦部的神經(jīng)活動情況。方法：選擇小波函數(shù)對腦磁信號進行分析得到頻域數(shù)據(jù)，將能量信息映射到與之對應的傳感器位置，在傳感器之間進行適當?shù)牟逯?，?chuàng)建三維坐標下的補片，顯示全腦三維能量分布。為驗證方法的有效性，采集手指運動試驗的腦磁數(shù)據(jù)，選取特定頻率段，分析討論不同時間下的地形圖。結(jié)果：能量分布圖反映的信息與運動事件相關(guān)同步研究的描述一致，即對側(cè)初級運動區(qū)(M1)和雙側(cè)輔助運動區(qū)(SMA)會出現(xiàn)高能量信號，神經(jīng)活動活躍。結(jié)論：該方法可以全面準確地反映大腦的神經(jīng)活動情況，為分析大腦神經(jīng)活動、確定神經(jīng)活動源發(fā)位置提供了有價值的參考方法。

腦磁圖；小波變換；地形圖

[First-author’s address] Department of Medical Engineering, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing 100053, China.

人體大腦產(chǎn)生的磁場包括兩種，恒定磁場和交變磁場。恒定磁場由大腦內(nèi)磁性物質(zhì)產(chǎn)生，交變磁場則由神經(jīng)細胞活動產(chǎn)生[1]。腦磁圖測量大腦神經(jīng)細胞內(nèi)電流產(chǎn)生的相關(guān)磁場，由腦內(nèi)神經(jīng)椎體細胞的電生理活動所產(chǎn)生。磁信號穿透腦組織和顱骨有很少的衰減或沒有衰減，與測量淺層細胞外電流靠容積傳導的腦電圖相比，腦磁圖具有較高的空間分辨率[2]。腦磁信號比腦電信號對于大腦皮層表面的活動更加敏感[3]。在腦神經(jīng)活動磁源定位的空間分辨率上，腦磁圖優(yōu)于腦電圖[4-5]。腦磁圖與腦電圖相比有著噪聲干擾小、信號采集優(yōu)質(zhì)及時間分辨率高等特點。近年來，腦磁數(shù)據(jù)被應用于神經(jīng)外科術(shù)前定位和腦功能損傷評價等方面[6]。因此，對較為精準的腦磁信號進行分析，希望可以得到更加理想的處理結(jié)果。

1 腦磁信號處理方案

腦磁信號是非平穩(wěn)信號，適合使用同時表達信號時域和頻域特性的時頻分析方法來處理。小波變換是典型的時頻分析方法，其用小波函數(shù)移位和縮放得到一系列小波表示的信號。在信號分解過程中，小波函數(shù)不斷平移、伸縮，使信號在各個頻率層面上得到分解。頻率從低到高，小波函數(shù)窗口會逐漸縮小。其分析結(jié)果在低頻段擁有高頻率分辨率和低時間分辨率，而在高頻段有低頻率分辨率和高時間分辨率。然而，小波函數(shù)在相當程度上影響變換的精準度和有效性?；谌舾纱蜗刃性囼灒x取Morlet小波，其在時頻分析處理腦電圖(electroencephalogram，EEG)信號時經(jīng)常被使用[7]。

采取的處理方案步驟：①采集原始腦磁數(shù)據(jù)；②信號的預處理，為去除接觸噪聲、基線漂移和工頻干擾，對原始腦磁信號進行小波閾值法濾除噪聲；③選取合適的小波函數(shù)及窗函數(shù)參數(shù)，對腦磁各導數(shù)據(jù)進行小波分析；④數(shù)據(jù)插值，計算功率分布；⑤生成能量分布的三維偽彩色圖。而后還將引用1例手指運動試驗數(shù)據(jù)對該方法有效性進行驗證[8]。

2 三維頭模型的建立

2.1 腦磁圖系統(tǒng)傳感器位置排布

所用數(shù)據(jù)是由顱外102信道探測陣列所采集。每組傳感器測量三種數(shù)據(jù)，磁場強度、軸向梯度和曲面梯度。對于腦神經(jīng)活動的淺表層圖像繪制，曲面梯度數(shù)據(jù)要優(yōu)于軸向梯度數(shù)據(jù)。而對于定位大腦深部的場源，場強數(shù)據(jù)優(yōu)于梯度數(shù)據(jù)[9-10]。故使用磁場強度信號(如圖1所示)。

圖1 顱外102組傳感器三維分布側(cè)面圖

2.2 數(shù)據(jù)插值方法

通過小波變換分析得到102組頻率域數(shù)據(jù)。以其顯示全腦能量分布略顯單薄，因此進行適當?shù)牟逯?。基于大?shù)據(jù)量，將三維表示化簡為類似二維圖像插值的處理方法。傳感器在垂直軸方向分為7層排列，在相鄰兩層中各取相鄰兩點，4點上下相鄰，組成一個柵格。如圖2所示，A、B、C、D四點是相鄰的4組傳感器，其坐標分別為(xα，yα，zα)，α=A，B，C，D。X軸和Y軸方向插值數(shù)分別是n和m。

圖2 數(shù)據(jù)插值圖

位于4邊上的插值點可直接根據(jù)4點坐標計算得出。而后，線性插值計算出AB間n個插值點Sj，同理可得圖中的Tj，Pi，Qi，j=1，2，…n；i=1，2，…m。由此在柵格中形成一m*n的矩陣點集。計算出Pi與Qi之間第j個插值點Eij(公式1，公式2)。

式中j=1，2，…n。

式中i=1，2，…m，j=1，2，…n。

參數(shù)m和n的選擇需適當。過小則插值不會發(fā)揮其填充數(shù)據(jù)缺失的作用，若過大則會導致程序運行緩慢?？紤]插值點數(shù)與運行代價的關(guān)系，最終選擇m=n=10[10]。插值后分布如圖3所示。

圖3 插值點俯視圖

在空間位置上越鄰近的點越有可能具有相似的特征值，這是空間插值技術(shù)中最基本的理論假設[11]。各種插值方法其共性是插值點幅值相當于對鄰近的原始數(shù)據(jù)加權(quán)求和。據(jù)此建立第m個插值點能量幅值計算模型(公式3)。

式中fi是原始數(shù)據(jù)點幅值；d表示插值點與原始數(shù)據(jù)點之間的距離；c(d)是與距離相關(guān)的權(quán)重函數(shù)；計算鄰近n個原始數(shù)據(jù)點的影響。

某點的能量強度對周邊幅值的影響呈多種形態(tài)分布，這里取高斯分布，原始數(shù)據(jù)的能量幅值A(chǔ)可作(公式4)：

式中x為插值點與數(shù)據(jù)點間的距離。則插值點能量和相距d的數(shù)據(jù)點間的關(guān)系為(公式5)：

然而，某一插值點的能量值是原始數(shù)據(jù)點對其影響的總和。遠距離的數(shù)據(jù)點對插值點的能量貢獻甚微，可忽略，故取最臨近的4個原始數(shù)據(jù)點計算。

使用MATLAB編寫程序。創(chuàng)建補片，一個補片對象是由其頂點確定的多邊形。如果坐標數(shù)據(jù)是不能定義封閉的多邊形，將自動使多邊形封閉。然而，如果單個補片面的邊緣相互交叉，得到的面可能不會完全填充。此時，應將面分解為更小的多邊形；補片色譜自動取偽彩色。

3 臨床實驗數(shù)據(jù)的處理

3.1 手指運動實驗

手指活動激活對側(cè)中央?yún)^(qū)和頂區(qū)皮層，皮層活動的10～25 Hz頻率成分首先在-0.5～0.3 s時間段表現(xiàn)為功率抑制，接著有強烈的功率增強活動顯示，最顯著的功率增強集中在0.4～0.7 s區(qū)間[12]。事件相關(guān)功能磁共振成像顯示初級運動區(qū)(M1)為運動執(zhí)行區(qū)，手指運動對側(cè)M1區(qū)明顯激活，同側(cè)則無明顯激活區(qū)；輔助運動區(qū)(supplementary motor areas，SMA)、運動前區(qū)(premotor areas，PMA)、基底節(jié)及小腦皮質(zhì)均為雙側(cè)激活[13]。基于上述研究，對三維能量分布的頭模型進行實驗驗證。本研究實驗數(shù)據(jù)來自首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院腦磁圖室，為手指運動實驗數(shù)據(jù)。被試手指為右利手，無手部骨關(guān)節(jié)疾病，無金屬義肢、義齒，精神狀態(tài)良好。實驗中要求受試者保持安靜，閉眼，盡量避免眼動、咬牙及皺眉等動作；左、右手食指分別平放在兩個響應按鍵上；給予單耳純音刺激，隨機給予左、右耳刺激；根據(jù)聽到的刺激，同側(cè)食指做出按壓鍵反應，其余手指不動。所用為右手運動數(shù)據(jù)。

3.2 結(jié)果分析

腦磁信號呈現(xiàn)特征節(jié)律波，可在枕部和感覺運動區(qū)記錄到α節(jié)律和β節(jié)律，其節(jié)律表現(xiàn)出事件相關(guān)變化，若對腦磁信號進行頻率域分析，可進一步了解大腦特定的活動機制[14]。試驗數(shù)據(jù)采樣頻率1000 Hz，對刺激前0.1 s到發(fā)出指令后2.4 s給予關(guān)注。

α節(jié)律取10 Hz為代表頻率，時間取第0.05 s、0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s、0.5 s、0.6 s、0.7 s、0.8 s、0.9 s和1.0 s。即指令發(fā)出前0.05 s到發(fā)出后0.9 s的數(shù)據(jù)。兩圖呈現(xiàn)能量的變化如圖4、圖5所示。

在0.05 s高能量信號分布在左側(cè)中央溝、中央前回和中央后回區(qū)域，可理解是M1對應的部分。第0.1～0.6 s扣帶回前部出現(xiàn)高能量分布，能量最高值出現(xiàn)在0.4～0.5 s，可理解其對應為雙側(cè)SMA。第0.7～1.0 s雙側(cè)SMA能量降低。指令發(fā)出之后，即0.1 s開始，能量開始逐漸增加，在0.4～0.5 s之間有顯著的增加，0.5 s開始能量下降，持續(xù)至第0.6 s。第0.6 s開始顯著下降。到第0.8 s，能量狀態(tài)恢復至0.1 s之前。整個過程10 Hz節(jié)律活動最為強烈的時間是在指令發(fā)出后的第0.4 s。圖5 f給出了10 Hz能量最值隨時間變化的情況。大致可將其分為三個階段：0～0.4 s，能量稍有升高；0.4～0.6 s，能量顯著升高；0.6 s以后逐漸恢復[15]。

圖4 10 Hz信號0.05～0.5 s時間點能量三維分布圖

圖5 10 Hz信號0.6～1.0 s時間點能量三維分布圖

β節(jié)律取25 Hz，時間取第0.05 s、0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s和0.5 s。即指令發(fā)出前0.1 s到發(fā)出后0.4 s的數(shù)據(jù)。圖6呈現(xiàn)β節(jié)律段25 Hz成分信號能量的全腦三維分布隨時間變化的情況。同樣開始時，高能量集中在對側(cè)M1。之后的0.3 s內(nèi)，高能量信號出現(xiàn)在雙側(cè)SMA，且能量值逐漸增大。到指令發(fā)出后的0.4 s，雙側(cè)SMA高能量信號減弱消失。0.1 s開始能量逐漸升高，這一趨勢直至第0.5 s結(jié)束。

圖6 25 Hz信號0.05～0.5s時間點能量三維分布圖

文獻研究顯示，對于利手的運動事件相關(guān)變化，主要體現(xiàn)在對側(cè)M1，雙側(cè)SMA及小腦的部分[15]。這與前述的分析討論比較一致。

4 結(jié)論

皮層神經(jīng)活動在時頻域的能量分布情況可體現(xiàn)事件相關(guān)的皮層神經(jīng)活動特征。本實驗結(jié)果與有關(guān)文獻對于手指運動的事件相關(guān)同步的若干研究情況相吻合[13-15]。采用三維考察腦部神經(jīng)活動的方法，可觀察三維空間中腦磁信號不同時間、不同頻率下的能量分布地形圖，以分析大腦的神經(jīng)活動情況[16]。為分析大腦神經(jīng)活動源發(fā)位置提供了較為有價值的觀察方法。由于條件所限，本研究仍然存在某些問題，如能量分布圖有明顯的插值痕跡，插值方法有待改進。今后還需細化插值方式，提高程序運行速度，以設計出可視化的界面，提供更加細致的顯示形式。

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Research on head three-dimensional energy distribution model based on brain magnetoencephalography signal processing

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LI Dong, LIU Yuan, SUN-Wei, et al// China Medical Equipment,2014,11(10):8-11.

Objective: A three-dimensional energy distribution over the whole brain will be displayed by analyzing the brain magnetic data, so as to reflect the neurological activity of the brain accurately. Methods: The brain magnetic signal was processed with wavelet function to get frequency domain data. The energy information is mapped to the corresponding sensors’position. In order to show the energy distribution, the author interpolated between sensors, created three-dimensional patches. For the purpose of validating, MEG data from a finger exercise testing subject was analyzed. Moreover, data of particular frequency was discussed also. Results: What it shows is consistent with description on event related synchronization. Actually the movements activated contralateral primary motor cortex (MI), bilateral supplementary motor area (SMA). Conclusion: Because of reflecting neurological activity accurately, it is said this method provides a valuable reference to analyze brain activity and locate neural activity.

Magnetoencephalography; Wavelet transform; Topographic map

1672-8270(2014)10-008-04

R831

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.10.003

2014-06-26

國家自然科學基金(81171229)“應用腦電磁信號頻段分解對癲癇病人腦皮層中央?yún)^(qū)振蕩規(guī)律的研究”

①首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院醫(yī)學工程處 北京 100053

②首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科 北京 100053

*通訊作者：jswei65@163.com

李東，女，(1987- )，碩士，助理工程師。首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院醫(yī)學工程處，研究方向：醫(yī)學信息分析與處理。