TMS線圈與EEG電極線相對(duì)位置對(duì)TMS-EEG信號(hào)的影響*

金芳，靳靜娜，劉志朋，殷濤

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)

1 引 言

經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)技術(shù)是現(xiàn)代腦科學(xué)研究的一種技術(shù)手段，具有無(wú)痛、無(wú)創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。如今，TMS技術(shù)可廣泛用于認(rèn)知研究[2]、臨床神經(jīng)科學(xué)研究[3]和神經(jīng)精神疾病的治療[4]之中。將TMS和頭皮腦電(electroencephalography，EEG)結(jié)合起來(lái)可作為研究大腦皮層功能和皮層連接的有效手段[5]。1989年，Cracco首先將TMS和EEG相結(jié)合，檢測(cè)并分析了TMS激發(fā)對(duì)側(cè)皮層腦電信號(hào)提取的特征值[6]，分析了腦皮層的抑制功能。TMS會(huì)激活局部皮層組織，而EEG在記錄局部腦皮層神經(jīng)傳導(dǎo)時(shí)具有很高的時(shí)間分辨率，將兩者結(jié)合可以實(shí)時(shí)、量化分析磁刺激對(duì)大腦皮層的改變。TMS-EEG已被廣泛應(yīng)用在腦連接性研究[7]、腦功能研究[8]、神經(jīng)精神疾病診斷[9]及神經(jīng)精神疾病治療效果的檢測(cè)[10]中。

然而，現(xiàn)有手段采集到的TMS-EEG信號(hào)混雜著不同種類的偽跡信號(hào)，部分掩蓋了真正TMS誘發(fā)的神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)[11]。其中，在刺激區(qū)域造成的較大偽跡信號(hào)主要與磁刺激線圈瞬時(shí)放電產(chǎn)生的線圈周圍電磁場(chǎng)有關(guān)[12]。為了解決此問(wèn)題，研究者通過(guò)改變腦電放大裝置直接去除這部分偽跡，比如采樣保持電路[13]和TMS-EEG匹配放大設(shè)備[14]，或者利用軟件手段，比如ICA方法[11]將偽跡信號(hào)和腦電信號(hào)分離開(kāi)。這種單純刪除偽跡的方法，并未分析TMS-EEG產(chǎn)生電磁偽跡的電磁場(chǎng)原因，在實(shí)際操作中并未將電磁偽跡很好地去除。2011年Sekiguchi[12]分析了電極線的不同排布方式對(duì)TMS-EEG產(chǎn)生電磁偽跡的影響。作者從實(shí)驗(yàn)角度分析了線圈擺放角度、磁刺激輸出幅值對(duì)TMS-EEG電磁偽跡的影響。但作者僅探討了線圈擺放角度對(duì)TMS-EEG偽跡的影響，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，數(shù)據(jù)說(shuō)服力不強(qiáng)。

本研究從磁刺激線圈電磁場(chǎng)分布出發(fā)，首先推導(dǎo)出八字線圈在空間內(nèi)電場(chǎng)分布的公式，借用公式分析出八字線圈電場(chǎng)分布對(duì)腦電采集回路產(chǎn)生的影響，利用matlab軟件仿真出刺激線圈與腦電極線成不同角度、不同距離時(shí)產(chǎn)生的偽跡信號(hào)的變化趨勢(shì)；而后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明改變線圈與腦電極線間角度、距離可以降低偽跡信號(hào)的幅值和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)；最后通過(guò)分析以上結(jié)論，給出TMS-EEG實(shí)驗(yàn)中線圈相對(duì)電極線的最佳角度和位置，為T(mén)MS-EEG實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)。

2 方法

2.1 線圈感應(yīng)電場(chǎng)分布方程推導(dǎo)

本研究采用半無(wú)界的數(shù)學(xué)模型，把頭部界面近似為一個(gè)平面，考慮了不同界面電荷積累。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和斯托克斯公式可以推出對(duì)半無(wú)界平面的線圈電場(chǎng)分布為公式(1)[15]：

(1)

如圖1，將直角坐標(biāo)的原點(diǎn)定位于線圈中心。空間任意一點(diǎn)P(x,y,z)到線圈上電流元的距離可以表示為|r-r′|，積分路徑的矢量元為dl。

如圖1，選取八字線圈中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，線圈長(zhǎng)軸方向?yàn)長(zhǎng)方向，線圈短軸方向S方向，線圈半徑為R。根據(jù)半無(wú)界空間的電場(chǎng)分布可推出平行于八字線圈所在平面的任意點(diǎn)P(x,y,z)引發(fā)的感應(yīng)電場(chǎng)表達(dá)式公式(2)，I為線圈內(nèi)電流，從0°到α°(α∈[0，360])進(jìn)行積分：

圖1 八字線圈積分路徑示意圖

(2)

2.2 線圈放電對(duì)腦電信號(hào)產(chǎn)生干擾的理論分析

在TMS-EEG實(shí)驗(yàn)中，八字線圈會(huì)轉(zhuǎn)換不同角度以獲得腦皮層刺激的最大值。實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)改變腦電極線與線圈的相對(duì)位置和距離，進(jìn)而減少偽跡信號(hào)的幅值和持續(xù)時(shí)間是TMS-EEG實(shí)驗(yàn)中必不可少的步驟。利用Ansys仿真可知，如圖2，八字線圈的電場(chǎng)強(qiáng)度最大位置在八字線圈中心處，沿八字線圈Z軸方向下方平面的電場(chǎng)強(qiáng)度空間分布不均勻。所以，我們從兩個(gè)方面分析八字線圈放電時(shí)通過(guò)對(duì)腦電極線對(duì)腦電信號(hào)產(chǎn)生的影響：(1)八字線圈放電時(shí)通過(guò)腦電電極連接導(dǎo)線對(duì)其下方導(dǎo)線腦電信號(hào)的影響，(2)八字線圈放電時(shí)其周圍電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻使得腦電采集裝置的地電極和測(cè)量電極之間產(chǎn)生感應(yīng)電流。

圖2 八字線圈沿Z軸方向下1mm處平面電場(chǎng)分布

2.2.1線圈擺放角度通過(guò)腦電采集線產(chǎn)生的影響

見(jiàn)圖3，將磁刺激線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)θ角度時(shí)，X、Y方向的電場(chǎng)強(qiáng)度見(jiàn)公式(3)：

(3)

根據(jù)公式(4)：

(4)

其中A表示腦電電極線中導(dǎo)線的面積，R代表回路電阻，σ代表電導(dǎo)率，磁刺激線圈在腦電極線中產(chǎn)生電壓見(jiàn)公式(5)：

(5)

圖3 八字線圈擺放角度對(duì)腦電采集線的影響示意圖

2.2.2線圈擺放距離通過(guò)腦電電極產(chǎn)生的影響 在TMS-EEG實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，八字線圈放電時(shí)其周圍電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻使得腦電采集裝置的地電極和測(cè)量電極之間產(chǎn)生感應(yīng)電流。線圈擺放位置對(duì)腦電電極線影響見(jiàn)圖4，其中測(cè)量電極和地電極之間的電阻值為5KΩ，代表人頭皮電阻為5KΩ[12]。

圖4 線圈擺放位置對(duì)腦電電極線影響示意圖

根據(jù)式(2)和(4)，當(dāng)測(cè)量電極C3坐標(biāo)為(x0，0，z0)，地電極坐標(biāo)為(x0，d，z0)時(shí)，線圈不同位置的偽跡電壓見(jiàn)公式(6)。

(6)

2.3 仿真和實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1仿真方法 本研究按照半無(wú)界空間數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)值仿真。利用放電電流公式(2)和(7)模擬計(jì)算八字線圈磁刺激線圈放電時(shí)感應(yīng)電場(chǎng)值；通過(guò)公式(5)仿真不同角度的磁刺激線圈對(duì)腦電極線的影響；通過(guò)公式(6)，設(shè)置不同的距離，分析線圈與腦電采集裝置不同距離時(shí)的偽跡信號(hào)的變化。

(7)

2.3.2實(shí)驗(yàn)方法

2.3.2.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程 本研究開(kāi)展了模型試驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)。模型實(shí)驗(yàn)利用一個(gè)模擬人頭導(dǎo)電率的西瓜模型(半徑0.1028 m，平均電導(dǎo)率為0.35 m/S,西瓜表面和腦電采集電極之間的電阻為5 KΩ)。西瓜模型可以最大程度上接近人體電導(dǎo)率，并可排除腦電信號(hào)的干擾，得到干凈的磁刺激偽跡信號(hào)[12]。使用單通道腦電采集方法，見(jiàn)圖4，其中測(cè)量電極和地電極之間的距離為71 mm，測(cè)量電極和線圈中心的距離為70 mm，(根據(jù)64導(dǎo)聯(lián)Neuroscan腦電極帽電極距離)使地點(diǎn)極、參比電極和測(cè)量電極的電極線保持平行，八字線圈平行放置在腦電極線上。

在模型試驗(yàn)中，選取了不同角度和距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在角度實(shí)驗(yàn)中，規(guī)定線圈長(zhǎng)軸與腦電極線平行的方向的角度為0°，線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)45°時(shí)的方向的角度為45°，線圈短軸與腦電極線平行時(shí)的方向的角度為90°。每個(gè)模型進(jìn)行三個(gè)角度實(shí)驗(yàn)，角度分別為0°，45°，90°，每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次刺激。在位置實(shí)驗(yàn)中，線圈中點(diǎn)和線圈的直線距離為d，每個(gè)模型d分別設(shè)置為10、20、30、40、50 mm，共5次實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次刺激。

受試者實(shí)驗(yàn)選取兩名健康右利手男性被試，年齡分別為23、24歲。在實(shí)驗(yàn)中，被試在可調(diào)節(jié)的扶手椅上舒適坐好，保持睜眼狀態(tài)。依照模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置對(duì)受試者開(kāi)展角度和距離實(shí)驗(yàn)。

2.3.2.2實(shí)驗(yàn)器材 實(shí)驗(yàn)采用Neurosacn腦電采集系統(tǒng)、Neuroscan 64導(dǎo)聯(lián)腦電帽，腦電電極為Ag/AgCl電極。、經(jīng)顱磁刺激器采用英國(guó)Magistim公司的Magistim Rapid2經(jīng)顱磁刺激器，最大輸出為2.2 T，模型試驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)均使用刺激器最大輸出的70%作為輸出強(qiáng)度。

3 結(jié)果

3.1 仿真結(jié)果

如圖3，分別對(duì)線圈擺放角度為0°，45°，90°時(shí)在導(dǎo)線回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流進(jìn)行計(jì)算，其中西瓜電導(dǎo)率σ為0.33 s/m[16]，放電電壓μ0=2000 V，總電感L=22μH，總電容C=100μF,放電強(qiáng)度為總強(qiáng)度的70%，電阻腦電帽采集線的截面積為A=1.5175×10-6m2。圖5(a)顯示了0°～90°時(shí)在導(dǎo)線回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓幅值變化。

當(dāng)磁刺激線圈和腦電極線成0°距離為10、20、30、40、50 mm時(shí)，不同線圈擺放位置偽跡的幅值趨勢(shì)，見(jiàn)圖5(b)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表1為模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，反映了磁刺激時(shí)的偽跡幅值、及偽跡持續(xù)時(shí)間。表2體現(xiàn)了偽跡過(guò)后1 000 ms平均值，偽跡過(guò)后1 000 ms幅值的方差。這里偽跡的定義為：在磁刺激線圈放電時(shí)對(duì)腦電線回路產(chǎn)生的，幅值從1 000～10 000 μV的持續(xù)很短時(shí)間的大幅值偽跡信號(hào)。偽跡結(jié)束的時(shí)間可定義為：大幅值偽跡過(guò)后信號(hào)恢復(fù)到刺激前水平的時(shí)間點(diǎn)。偽跡持續(xù)時(shí)間表示的是從刺激點(diǎn)開(kāi)始到偽跡結(jié)束中間的持續(xù)時(shí)間。從表1可以看出，線圈與導(dǎo)線成0°時(shí)，偽跡幅值、持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于線圈與導(dǎo)線成45°和90°時(shí)的情況。線圈與腦電極線成其他角度的偽跡平均幅值大約是0°時(shí)偽跡幅值的10倍，其他角度的平均持續(xù)時(shí)間大約是0°時(shí)持續(xù)時(shí)間的13倍。其他角度的偽跡后1 000 ms幅值平均值大約是線圈和電極線成0°的64倍，其他角度偽跡后1 000 ms幅值標(biāo)準(zhǔn)層差大約是成0°時(shí)的100倍。

圖5 角度、距離變化對(duì)應(yīng)偽跡幅值變化趨勢(shì)仿真圖形

表1 模型實(shí)驗(yàn)的偽跡幅值持續(xù)時(shí)間

表2 模型實(shí)驗(yàn)大偽跡之后1000ms信號(hào)的幅值和標(biāo)準(zhǔn)差

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用完全隨機(jī)化設(shè)計(jì)兩獨(dú)立樣本秩和檢驗(yàn)，K-W檢驗(yàn)進(jìn)行分析。從表3可以看出，磁刺激線圈與腦電電極線成0°時(shí)，其偽跡幅值、偽跡持續(xù)時(shí)間和偽跡后1 000 ms內(nèi)方差均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

表3 模型試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果

距離模型試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6，當(dāng)線圈和電極線所成角度為0°時(shí)，磁刺激偽跡的幅值隨線圈和導(dǎo)線之間距離的增加而增加。

圖6 實(shí)驗(yàn)中距離變化對(duì)應(yīng)偽跡幅值影響趨勢(shì)圖

3.2.2受試者實(shí)驗(yàn)結(jié)果 受試者實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖7，圖7(a)體現(xiàn)了在相同位置磁刺激線圈和腦電極線形成不同的角度產(chǎn)生的TMS-EEG信號(hào)的波形圖。從圖中可以看出，當(dāng)線圈和導(dǎo)線成0°角時(shí)，TMS-EEG信號(hào)的偽跡幅值最小，45°和90°時(shí)的偽跡幅值相當(dāng)。成0°角時(shí)，偽跡的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他角度的情況。圖7(b)體現(xiàn)了當(dāng)線圈和導(dǎo)線成0°角時(shí)，線圈和導(dǎo)線距離和偽跡幅值的關(guān)系。當(dāng)線圈和導(dǎo)線距離為0時(shí)，偽跡幅值持續(xù)時(shí)間最小，隨著距離的不斷增大，偽跡的幅值和持續(xù)時(shí)間同時(shí)增大。

(a)

(b)

可見(jiàn)，當(dāng)腦電極線與線圈長(zhǎng)軸方向平行時(shí)，腦電偽跡幅值和持續(xù)時(shí)間最小，當(dāng)腦電導(dǎo)線與線圈長(zhǎng)軸成其他角度時(shí)，產(chǎn)生偽跡幅值和持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于0°時(shí)的情況；腦電導(dǎo)線平行于線圈長(zhǎng)軸時(shí)，腦電導(dǎo)線與線圈的距離為0時(shí)，產(chǎn)生腦電偽跡最小，當(dāng)線圈下移時(shí)，偽跡會(huì)逐漸增大。

4 討論

本研究著眼于TMS-EEG實(shí)驗(yàn)中遇到的線圈放置角度和距離的實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)理論分析得到磁刺激線圈放電對(duì)腦電極線的偽跡影響的兩個(gè)原因：(1)線圈擺放角度通過(guò)腦電采集線產(chǎn)生的影響，(2)八字線圈放電時(shí)其周圍電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻使得腦電采集裝置的地電極和測(cè)量電極之間產(chǎn)生感應(yīng)電流；仿真磁刺激線圈相對(duì)腦電極帽不同角度、線圈不同位置腦電極線內(nèi)產(chǎn)生偽跡的幅值和影響時(shí)間的趨勢(shì)，并通過(guò)模型試驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在TMS-EEG實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，磁刺激線圈相對(duì)腦電極線的角度和相對(duì)位置是影響腦電偽跡信號(hào)的原因，其中角度是影響偽跡幅值的主要原因。腦電極線與磁刺激線圈長(zhǎng)軸重合時(shí)，采集到的腦電信號(hào)的偽跡幅值和持續(xù)時(shí)間最小。因此，實(shí)驗(yàn)前，合理腦電極線排布可降低腦電信號(hào)的偽跡幅值，提高性噪比，提高特征值提取的準(zhǔn)確性。

本研究還提供了一種評(píng)價(jià)偽跡信號(hào)的手段，即通過(guò)排除了腦電信號(hào)的模型進(jìn)行信號(hào)采集，將采集到的信號(hào)分成刺激時(shí)產(chǎn)生的大偽跡和刺激后1 000 ms內(nèi)的信號(hào)偽跡。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，腦電極線的重新排布，可以使磁刺激時(shí)產(chǎn)生的大偽跡信號(hào)的幅值和持續(xù)時(shí)間在很大程度上降低，這意味著通過(guò)腦電極線重新排布可以提取到刺激后10 ms的時(shí)間內(nèi)磁刺激誘發(fā)的腦電信號(hào)。同時(shí)，刺激后1 000 ms偽跡數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差降低，可以提高磁刺激下1 000 ms內(nèi)腦電特征信號(hào)的提取的準(zhǔn)確性。

本研究尚存在的問(wèn)題：

(1)在探究角度和偽跡的關(guān)系時(shí)，仿真可以將每個(gè)角度的偽跡仿真出來(lái)，但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)由于腦電導(dǎo)線較軟，很難將線圈和腦電導(dǎo)線的相對(duì)角度精確到1°，有可能導(dǎo)致角度實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)存在誤差。

(2)在現(xiàn)今的研究中，磁刺激偽跡并無(wú)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本研究分析了大偽跡的幅值、持續(xù)時(shí)間、大偽跡過(guò)后1 000 ms的幅值和標(biāo)準(zhǔn)差，是基于偽跡去除之后的腦電信號(hào)分析而采取的評(píng)價(jià)方式。未來(lái)還需要更精準(zhǔn)、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)價(jià)方式。

(3)我們通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)的方法分析出線圈和腦電采集裝置的相對(duì)位置改變會(huì)改變其偽跡的幅值，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，腦電極的位置是不能改變的。所以，未來(lái)可以采用其他手段減少該部分偽跡。

(4)改變磁刺激線圈和腦電極線可以很大程度上減少偽跡幅值和持續(xù)時(shí)間，但是也并不能完全消除這部分偽跡。在未來(lái)研究中，將考慮其他方法，更大程度去除這部分偽跡。

本研究從電磁場(chǎng)理論層面探討TMS-EEG實(shí)驗(yàn)采集信號(hào)中的10～100 ms之間的偽跡來(lái)源，分析其影響因素，并通過(guò)有效方法降低偽跡的干擾，在TMS-EEG實(shí)驗(yàn)中具有重要意義。