基于極低頻磁刺激的大腦諧振效應(yīng)

王學(xué)民，陳 芳，郁洪強(qiáng)，周 鵬

(1. 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心，天津 300191)

自1985年Barker等[1]將平面線圈置于正常人運(yùn)動(dòng)區(qū)的頭皮上，觀察到手肌的抽動(dòng)，用表面電極在小指外展肌記錄到運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)誘發(fā)電位以來(lái)，磁刺激(magnetic stimulation)技術(shù)以其安全有效、無(wú)痛、無(wú)損傷、不需接觸電極，可進(jìn)行深部神經(jīng)刺激等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多地應(yīng)用于中樞神經(jīng)傳導(dǎo)、疾病治療、康復(fù)理療與人體神經(jīng)功能調(diào)控等各個(gè)方面，并取得了較好的效果．可以肯定的是磁刺激技術(shù)必將為人類實(shí)現(xiàn)對(duì)某些腦生理活動(dòng)的人為調(diào)控、探索腦疾病的診斷療法提供一種新的手段．

極低頻脈沖磁場(chǎng)(extremely low frequency pulse magnetic field)是近十幾年國(guó)際上開(kāi)始研究的一種新型治療疾病的物理方法，大量基于患者主觀量表評(píng)價(jià)的臨床實(shí)驗(yàn)已初步證明該方法的有效性，顯示出極大的應(yīng)用前景．但由于該領(lǐng)域的研究剛剛起步，目前的研究現(xiàn)狀是“只觀其象，未明其理”，還有很多問(wèn)題亟待深入研究和探索．筆者在以往研究的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)極低頻脈沖磁場(chǎng)誘導(dǎo)大腦節(jié)律的變化，探究大腦的諧振效應(yīng)規(guī)律，為將磁刺激應(yīng)用于大腦疾病的治療奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，具有重要的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)效益．

1 理論依據(jù)

1.1 極低頻磁刺激電磁場(chǎng)模型

極低頻脈沖磁場(chǎng)是指頻率在 0～300,Hz的脈沖磁場(chǎng)．為了解磁刺激產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)在大腦中的分布，保證在目標(biāo)腦區(qū)產(chǎn)生需要的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度，需對(duì)所施加的磁場(chǎng)進(jìn)行頭部建模與仿真研究[2]．

圖1(a)是利用從醫(yī)院獲得的165層頭部MRI圖像，構(gòu)建了包含頭皮、顱骨、腦脊液和大腦 4層頭部三維模型，線圈放置在顱骨的枕部 2,cm 左右對(duì)大腦進(jìn)行磁刺激．圖 1(b)是刺激線圈在顱骨枕部刺激時(shí)的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度分布．由此可見(jiàn)，圓形線圈在頭部投影的范圍內(nèi)所產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度是最大的，然后逐漸向外側(cè)和內(nèi)側(cè)減弱，表明圓形線圈可以在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行有效的磁刺激．

圖1 磁刺激電磁場(chǎng)模型Fig.1 Electromagnetic field model by magnetic stimulation

1.2 ERD/ERS

當(dāng)大腦在接受外源性或內(nèi)源性刺激時(shí)，會(huì)導(dǎo)致腦電波某些頻段信號(hào)幅度減低或者阻滯，即頻帶能量降低，這一電生理現(xiàn)象被稱為事件相關(guān)去同步(eventrelated desynchronization，ERD)．與之相反，EEG 某些頻段頻帶能量升高，將其稱為事件相關(guān)同步(eventrelated synchronization，ERS)[3-5]．研究表明α和β 頻譜的 ERD 可作為大腦激活的指標(biāo)，而 ERS的出現(xiàn)表明大腦處于失活狀態(tài)，提示皮質(zhì)區(qū)域恢復(fù)到靜息或惰性狀態(tài)．與α和β 頻段不同的是，γ 頻譜的 ERS與皮質(zhì)激活相關(guān)，可能參與多區(qū)域和多種模式的信息整合加工過(guò)程．

Pfurscheller建議如下．

(1)提到腦電/腦磁中的 ERD(ERS)時(shí)，必須指明具體頻帶．

(2)只有當(dāng)事件前數(shù)秒的基線測(cè)量的功率譜有明顯代表節(jié)律性的峰值時(shí)，ERD才有意義；只有當(dāng)事件導(dǎo)致信號(hào)中出現(xiàn)節(jié)律成分、功率譜中出現(xiàn)原本沒(méi)有檢測(cè)到的峰值時(shí)，ERS才有意義．ERD(ERS)的百分比計(jì)算公式為

式中：A指實(shí)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)目標(biāo)頻段的功率；R指參考時(shí)段內(nèi)目標(biāo)頻段的功率．

ERD數(shù)值會(huì)變化，負(fù)值表示該頻段能量減小，即發(fā)生ERD，-100表示該頻段能量完全消失；0表示沒(méi)有該段能量保持不變，沒(méi)有 ERD(ERS)現(xiàn)象；正值表示該段能量增加，即發(fā)生ERS，值越大，ERS越明顯．

1.3 腦電分析方法

自1932年Dieth最先報(bào)道用傅里葉變換(Fourier transform，F(xiàn)T)分析腦電信號(hào)以來(lái)，各種信號(hào)處理的方法在腦電分析中得到了廣泛的應(yīng)用．其中頻域分析是 EEG研究及臨床應(yīng)用中的主要分析方法，使用最多的是對(duì) EEG 的功率譜估計(jì)[6-8]．通過(guò)計(jì)算 EEG信號(hào)功率譜，可以直接觀察 EEG 中δ、θ、α、β、γ 等節(jié)律的分布與變化情況，廣泛用于各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和腦認(rèn)知的研究中．譜估計(jì)的經(jīng)典方法以傅里葉變換為基礎(chǔ)，主要包括相關(guān)圖法和周期圖法，以及在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)方法．這種方法物理意義比較明確，計(jì)算方便，并且對(duì)信號(hào)適應(yīng)性強(qiáng)．

實(shí)際應(yīng)用中，要求信號(hào)在時(shí)域和頻域都應(yīng)是離散的，且有限長(zhǎng)．下面是函數(shù) f (t) ∈ L1(R)的離散傅里葉變換(discrete Fourier transform，DFT)，其定義為：給定實(shí)的或復(fù)的離散時(shí)間序列 f0，f1，…，fN-1，設(shè)該序列絕對(duì)可和，即滿足，稱序列{fn}的DFT為

FT是時(shí)域到頻域相互轉(zhuǎn)化的工具，它在頻域內(nèi)是局部化的．

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)主要任務(wù)是采集受試者受磁刺激前后的腦電信號(hào)．實(shí)驗(yàn)采用奧地利 EMS PHOENIX公司生產(chǎn)的128導(dǎo)數(shù)字腦電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行腦電信號(hào)的采集，其中電極放置標(biāo)準(zhǔn)依照國(guó)際 10/20系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì) 19導(dǎo)進(jìn)行測(cè)量，基本上全面覆蓋了大腦頭皮表層；采用磁刺激儀[9]對(duì)大腦進(jìn)行刺激，極低頻磁場(chǎng)本身能量很小，不足以引發(fā)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)作電位，主要是起到誘導(dǎo)調(diào)控作用，通過(guò)磁誘導(dǎo)使大腦產(chǎn)生諧振效應(yīng)．根據(jù)要求磁刺激儀設(shè)1,Hz定頻，30,mT強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)時(shí)刺激受試者的枕部區(qū)域．

參與實(shí)驗(yàn)的受試對(duì)象為在校大學(xué)生(共6例)，均男性，右利手，身體健康，無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)病史，年齡在23～27歲之間．受試者與腦電采集系統(tǒng)均在燈光較暗的屏蔽室中，受試者保持放松、清醒、閉眼的狀態(tài)．單次實(shí)驗(yàn)流程大致為：采集受試者腦電信號(hào)作為參照組；對(duì)受試者枕部和頂部區(qū)域進(jìn)行 30,min左右的磁刺激；采集刺激后受試者腦電信號(hào)．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

以其中1名受試者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，對(duì)比分析刺激前后的腦電信號(hào)，研究磁場(chǎng)對(duì)人腦電活動(dòng)的影響，驗(yàn)證磁場(chǎng)對(duì)大腦的諧振效應(yīng)．

3.1 頻域分析

極低頻磁刺激的影響在腦電功率譜上得以反映，各頻段功率譜的變化代表不同的生理意義[10-11]．圖 2為對(duì)其中一名受試者磁刺激前后自發(fā)腦電的功率譜分析結(jié)果．

由圖2可知，磁刺激前受試者的自發(fā)腦電信號(hào)以低幅高頻快波為主，低頻成分很少．磁刺激后，腦電中低頻成分的功率有明顯程度的增加，在1～3 Hz頻段出現(xiàn)了高聳的譜峰，這表明腦電中δ 波的節(jié)律成分增加．δ波通常僅出現(xiàn)在嬰幼兒、熟睡時(shí)以及嚴(yán)重器質(zhì)性腦病患者中，健康成年人在清醒狀態(tài)下很少見(jiàn)，這更加證明了腦電信號(hào)中δ 波成分的增加是由于受到磁刺激后產(chǎn)生的影響．對(duì)應(yīng)電極的分布位置可知，δ 波成分的影響范圍也很廣泛．其次，在 10,Hz左右也出現(xiàn)了一定程度的增幅，其中 O1、T3最為明顯，幅度增長(zhǎng)最大．這說(shuō)明在磁刺激之后，腦電中α 波的節(jié)律成分也有所增加，而α 波是健康成年人腦電的主要成分．

觀察 Fz、T3、C3、Cz、T5、P3 等導(dǎo)聯(lián)可以看出，40,Hz左右的高頻段成分有明顯的下降，發(fā)生了ERD現(xiàn)象．

3.2 ERD/ERS分析

圖 3所示曲線中的第 1、2、3、4、5點(diǎn)分別代表1～3,Hz(δ 波)、4～7,Hz(θ 波)、8～13,Hz(α 波)、14～30,Hz(β 波)和 31～40,Hz(γ 波)頻段內(nèi)導(dǎo)聯(lián)的ERD/ERS值．分析該曲線可知，僅 T5導(dǎo)聯(lián)在 14～30,Hz頻段出現(xiàn)了輕微的 ERD現(xiàn)象，其他各個(gè)導(dǎo)聯(lián)在不同頻段內(nèi)的 ERD/ERS值均為正值，說(shuō)明發(fā)生了ERS現(xiàn)象．ERS值越大，則ERS現(xiàn)象越明顯．從圖中還容易觀察到，各個(gè)導(dǎo)聯(lián) ERS值最大的點(diǎn)基本都是第1個(gè)點(diǎn)，即事件相關(guān)同步現(xiàn)象最明顯的頻段都是在1～3,Hz，即δ 波節(jié)律成分的 ERS現(xiàn)象最顯著，受磁刺激影響最大．其次是第3個(gè)點(diǎn)ERS值較大，即α波節(jié)律成分的事件相關(guān)同步現(xiàn)象也很明顯．

3.3 ERD/ERS的腦地形圖成像

通過(guò)上面對(duì)多導(dǎo)聯(lián) EEG數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，量化出了不同導(dǎo)聯(lián)在各個(gè)頻帶的能量變化，即 ERD/ERS的值．下將各個(gè)頻段的 ERD/ERS信號(hào)通過(guò)腦地形圖法成像[12]，直觀地觀察不同頻段內(nèi) ERD/ERS信號(hào)在大腦皮層的空間分布情況，見(jiàn)圖4，研究ERD/ERS空域特性．

如圖4所示，深灰色調(diào)代表正值，即ERS值，灰色程度越深說(shuō)明事件相關(guān)同步現(xiàn)象越明顯；淺灰色調(diào)代表負(fù)值，即 ERD值，灰色程度越淺說(shuō)明事件相關(guān)去同步現(xiàn)象越明顯．觀察圖 4(a)，可以看到在大腦皮層全部范圍內(nèi)均發(fā)生了 1～3,Hz頻段內(nèi)的 ERS現(xiàn)象，發(fā)生事件相關(guān)同步電位現(xiàn)象最明顯的導(dǎo)聯(lián)是T6，說(shuō)明大腦右側(cè)后顳區(qū)腦電低頻成分δ 波增加最明顯．圖 4(c)中，在大腦的中央、頂部、顳部以及枕部都發(fā)生了明顯的同步現(xiàn)象，此頻段為健康成年人閉目清醒時(shí)腦電的主要成分．圖 4(e)中可以看到，額部、中央、頂部、左側(cè)顳部 ERD的現(xiàn)象更為明顯，低幅高頻的快波γ 成分有了明顯的減少．而在各個(gè)頻段T6導(dǎo)聯(lián)對(duì)應(yīng)的大腦皮層區(qū)域均發(fā)生了明顯的ERS現(xiàn)象．

圖2 刺激前后受試者各導(dǎo)聯(lián)信號(hào)功率譜分析對(duì)比結(jié)果Fig.2 Comparisons of power spectrum analysis before and after stimulation

圖3 受試者各導(dǎo)聯(lián)不同頻段內(nèi)ERD(ERS)曲線Fig.3 Each channel’s ERD(ERS) in different frequencies

圖4 受試者各頻段ERD(ERS)腦地形圖Fig.4 Brain maps of ERD(ERS) in different frequencies

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該受試者的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行以上頻譜、ERD/ERS及空域腦地形圖分析處理，都表明了大腦在受到低頻磁刺激后，低頻成分功率大幅增加，高頻成分有所減少，各個(gè)導(dǎo)聯(lián)對(duì)應(yīng)的頭部區(qū)域發(fā)生了不同程度的低頻段的ERS現(xiàn)象以及高頻段的ERD現(xiàn)象，驗(yàn)證了大腦的諧振效應(yīng)．且對(duì)測(cè)得的其他受試者腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣的分析也獲得了以上良好的效果，說(shuō)明該結(jié)論是具有普遍意義的．

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