[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于认知神经科学技术领域，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。

背景技术

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。

本发明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。这也是本发明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。因此本系统发明首个目标就是使用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。

发明内容

本发明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，本发明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。

本发明的技术方案为：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：