[发明专利]基于磁共振影像的经颅电刺激个体化优化平台

权利要求书

1.一种基于磁共振影像的经颅电刺激个体化优化装置，其特征在于，包括脑部三维建模，脑部靶区域的提取，正交电流方向的矩阵提取，有限元和二次矩阵优化计算，和设计效果预估五个部分；

所述脑部靶区域的提取包括：通过对特定认知任务下个体化功能磁共振的神经影像进行分析，提出代表特定认知功能的脑区和具体的参数化强度，以p0.001的非标准化显著性来选择靶脑区，将靶脑区的参数化强度在个体化大脑三维结构网格上进行插值投影，形成优化目标矩阵时的修饰化矩阵R，所述修饰化矩阵R为个体靶脑区的参数化强度形成稀疏矩阵；B_i为磁共振成像在索引为i的脑网格顶点处的参数化值，Ω为靶脑区；所述正交电流方向的矩阵提取包括：外加有效的电流垂直于大脑皮层表面；在本装置中，首先提取大脑灰质和脑脊液交接处面网格，然后计算每个节点处的正交方向，对于灰质内部每一点，则由表面由浅入深递归得到其正交方向；以靶脑区为筛选窗，在全脑内提取出此正交方向矩阵，作为优化目标的修饰化矩阵C，C＝[nx,ny,nz],C为K行3列的矩阵，其中K表示靶脑区中网格点数目，nx,ny,nz分别表示网格点的正交方向在x,y,z方向的单位投影；

所述有限元和二次矩阵优化计算包括：利用有限元方法计算构建每个候选电极的引导场电场矩阵；该矩阵单个元素为标准大小电流源下某个候选电极和参考电极间大脑内部电场矢量分布；最终的优化目标即为该矩阵中某些元素的线性组合；求解此矩阵方程依赖Matlab软件提供的共轭梯度下降求解器；其中有限元计算中的四面体一阶网格刚度矩阵依靠大脑网格和不同材料的电导率进行构建；

所述有限元和二次矩阵优化计算还包括：二次矩阵优化问题的计算用于求解电极的选择排布和电流强度配比系数；公式为最小化靶脑区电场能量：min(x^TQx)，x代表电流强度配比系数，是优化问题最终求解的自变量；被最小化的优化目标x^TQx代表了靶脑区内的电流能量；在这个过程中，将上面过程中得到的优化修饰化矩阵C，R带入约束条件，即把正交电流方向和靶脑区响应强度进行了定量化的引入，优化目标符合半正定的条件，使求解内容总有可行解；其他约束条件还包含，

①电流总和为0，即流入等于流出，

②总电流不大于I_tot

③单个电极电流不大于I_ind。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脑部三维建模包括头部结构分割、网格化和结构修复三步；所述头部结构分割主要调用spm12软件内部的函数去进行分割，输入为包含同一受试者头部整体的T1结构像和T2结构像，将头部结构分为头皮、头骨、脑脊液、大脑白质和大脑灰质五部分；所述结构修复是遇到几何上重叠或者交叉错误，通过matlab下函数进行修复；所述的网格化是大脑分割后，将这些组分标记后布尔组合在一起；先构建表面网格，再构建立体网格，使用依赖于simNIBS下的headreco函数包进行四面体网格构建。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有限元和二次矩阵优化计算还包括：候选电极选择依照脑电的10-10头皮表面电极分布阵列，共有64个候选电极位置；电极为直径1cm，厚度为2mm的纽扣状小圆柱体；各组分电导率被定义为头皮0.465S/m,头骨0.008S/m，脑脊液1.654S/m，大脑灰质0.275S/m，大脑白质0.126S/m。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有限元和二次矩阵优化计算还包括：优化问题求解使用了matlab下的mosek软件包，该软件包将二次优化问题转化为圆锥优化问题进行计算。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设计效果评估包括：①优化的电刺激效果，计算优化电刺激参数下，电场在靶区域的正交分量体积分，并在人群中进行比较；②电刺激效果稳定性，将最大电流电极位置分别向额极、枕极、左耳突和右耳突四个方向偏移1，2，3cm，可得到4*3＝12个不同的电场分布；再将此12个电场分布分别计算靶区域电场正交分量体积分；计算均值和标准差。