TMS線圈與EEG電極線相對位置對TMS-EEG信號的影響*

金芳，靳靜娜，劉志朋，殷濤

(中國醫學科學院北京協和醫學院 生物醫學工程研究所，天津 300192)

1 引 言

經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)技術是現代腦科學研究的一種技術手段，具有無痛、無創等優點[1]。如今，TMS技術可廣泛用于認知研究[2]、臨床神經科學研究[3]和神經精神疾病的治療[4]之中。將TMS和頭皮腦電(electroencephalography，EEG)結合起來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相結合，檢測并分析了TMS激發對側皮層腦電信號提取的特征值[6]，分析了腦皮層的抑制功能。TMS會激活局部皮層組織，而EEG在記錄局部腦皮層神經傳導時具有很高的時間分辨率，將兩者結合可以實時、量化分析磁刺激對大腦皮層的改變。TMS-EEG已被廣泛應用在腦連接性研究[7]、腦功能研究[8]、神經精神疾病診斷[9]及神經精神疾病治療效果的檢測[10]中。

然而，現有手段采集到的TMS-EEG信號混雜著不同種類的偽跡信號，部分掩蓋了真正TMS誘發的神經活動信號[11]。其中，在刺激區域造成的較大偽跡信號主要與磁刺激線圈瞬時放電產生的線圈周圍電磁場有關[12]。為了解決此問題，研究者通過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匹配放大設備[14]，或者利用軟件手段，比如ICA方法[11]將偽跡信號和腦電信號分離開。這種單純刪除偽跡的方法，并未分析TMS-EEG產生電磁偽跡的電磁場原因，在實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TMS-EEG產生電磁偽跡的影響。作者從實驗角度分析了線圈擺放角度、磁刺激輸出幅值對TMS-EEG電磁偽跡的影響。但作者僅探討了線圈擺放角度對TMS-EEG偽跡的影響，在實驗數據缺乏統計學分析，數據說服力不強。

本研究從磁刺激線圈電磁場分布出發，首先推導出八字線圈在空間內電場分布的公式，借用公式分析出八字線圈電場分布對腦電采集回路產生的影響，利用matlab軟件仿真出刺激線圈與腦電極線成不同角度、不同距離時產生的偽跡信號的變化趨勢；而后，通過實驗證明改變線圈與腦電極線間角度、距離可以降低偽跡信號的幅值和持續時間等參數；最后通過分析以上結論，給出TMS-EEG實驗中線圈相對電極線的最佳角度和位置，為TMS-EEG實驗提供指導。

2 方法

2.1 線圈感應電場分布方程推導

本研究采用半無界的數學模型，把頭部界面近似為一個平面，考慮了不同界面電荷積累。

根據法拉第電磁感應定律和斯托克斯公式可以推出對半無界平面的線圈電場分布為公式(1)[15]：

(1)

如圖1，將直角坐標的原點定位于線圈中心。空間任意一點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原點，線圈長軸方向為L方向，線圈短軸方向S方向，線圈半徑為R。根據半無界空間的電場分布可推出平行于八字線圈所在平面的任意點P(x,y,z)引發的感應電場表達式公式(2)，I為線圈內電流，從0°到α°(α∈[0，360])進行積分：

圖1 八字線圈積分路徑示意圖

(2)

2.2 線圈放電對腦電信號產生干擾的理論分析

在TMS-EEG實驗中，八字線圈會轉換不同角度以獲得腦皮層刺激的最大值。實驗中可以通過改變腦電極線與線圈的相對位置和距離，進而減少偽跡信號的幅值和持續時間是TMS-EEG實驗中必不可少的步驟。利用Ansys仿真可知，如圖2，八字線圈的電場強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強度空間分布不均勻。所以，我們從兩個方面分析八字線圈放電時通過對腦電極線對腦電信號產生的影響：(1)八字線圈放電時通過腦電電極連接導線對其下方導線腦電信號的影響，(2)八字線圈放電時其周圍電場強度不均勻使得腦電采集裝置的地電極和測量電極之間產生感應電流。

圖2 八字線圈沿Z軸方向下1mm處平面電場分布

2.2.1線圈擺放角度通過腦電采集線產生的影響

見圖3，將磁刺激線圈逆時針轉過θ角度時，X、Y方向的電場強度見公式(3)：

(3)

根據公式(4)：

(4)

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

(5)

圖3 八字線圈擺放角度對腦電采集線的影響示意圖

2.2.2線圈擺放距離通過腦電電極產生的影響 在TMS-EEG實驗的過程中，八字線圈放電時其周圍電場強度不均勻使得腦電采集裝置的地電極和測量電極之間產生感應電流。線圈擺放位置對腦電電極線影響見圖4，其中測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 線圈擺放位置對腦電電極線影響示意圖

根據式(2)和(4)，當測量電極C3坐標為(x0，0，z0)，地電極坐標為(x0，d，z0)時，線圈不同位置的偽跡電壓見公式(6)。

(6)

2.3 仿真和實驗方法

2.3.1仿真方法 本研究按照半無界空間數學模型進行了數值仿真。利用放電電流公式(2)和(7)模擬計算八字線圈磁刺激線圈放電時感應電場值；通過公式(5)仿真不同角度的磁刺激線圈對腦電極線的影響；通過公式(6)，設置不同的距離，分析線圈與腦電采集裝置不同距離時的偽跡信號的變化。

(7)

2.3.2實驗方法

2.3.2.1實驗過程 本研究開展了模型試驗和人體實驗。模型實驗利用一個模擬人頭導電率的西瓜模型(半徑0.1028 m，平均電導率為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率，并可排除腦電信號的干擾，得到干凈的磁刺激偽跡信號[12]。使用單通道腦電采集方法，見圖4，其中測量電極和地電極之間的距離為71 mm，測量電極和線圈中心的距離為70 mm，(根據64導聯Neuroscan腦電極帽電極距離)使地點極、參比電極和測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。

在模型試驗中，選取了不同角度和距離進行實驗。在角度實驗中，規定線圈長軸與腦電極線平行的方向的角度為0°，線圈逆時針轉45°時的方向的角度為45°，線圈短軸與腦電極線平行時的方向的角度為90°。每個模型進行三個角度實驗，角度分別為0°，45°，90°，每個實驗進行10次刺激。在位置實驗中，線圈中點和線圈的直線距離為d，每個模型d分別設置為10、20、30、40、50 mm，共5次實驗，每個實驗進行10次刺激。

受試者實驗選取兩名健康右利手男性被試，年齡分別為23、24歲。在實驗中，被試在可調節的扶手椅上舒適坐好，保持睜眼狀態。依照模型實驗參數設置對受試者開展角度和距離實驗。

2.3.2.2實驗器材 實驗采用Neurosacn腦電采集系統、Neuroscan 64導聯腦電帽，腦電電極為Ag/AgCl電極。、經顱磁刺激器采用英國Magistim公司的Magistim Rapid2經顱磁刺激器，最大輸出為2.2 T，模型試驗和人體實驗均使用刺激器最大輸出的70%作為輸出強度。

3 結果

3.1 仿真結果

如圖3，分別對線圈擺放角度為0°，45°，90°時在導線回路中產生的感應電流進行計算，其中西瓜電導率σ為0.33 s/m[16]，放電電壓μ0=2000 V，總電感L=22μH，總電容C=100μF,放電強度為總強度的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°時在導線回路中產生的感應電壓幅值變化。

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

3.2 實驗結果

3.2.1模型實驗結果 表1為模型實驗的結果，反映了磁刺激時的偽跡幅值、及偽跡持續時間。表2體現了偽跡過后1 000 ms平均值，偽跡過后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對腦電線回路產生的，幅值從1 000～10 000 μV的持續很短時間的大幅值偽跡信號。偽跡結束的時間可定義為：大幅值偽跡過后信號恢復到刺激前水平的時間點。偽跡持續時間表示的是從刺激點開始到偽跡結束中間的持續時間。從表1可以看出，線圈與導線成0°時，偽跡幅值、持續時間遠遠小于線圈與導線成45°和90°時的情況。線圈與腦電極線成其他角度的偽跡平均幅值大約是0°時偽跡幅值的10倍，其他角度的平均持續時間大約是0°時持續時間的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幅值標準層差大約是成0°時的100倍。

圖5 角度、距離變化對應偽跡幅值變化趨勢仿真圖形

表1 模型實驗的偽跡幅值持續時間

表2 模型實驗大偽跡之后1000ms信號的幅值和標準差

實驗數據利用完全隨機化設計兩獨立樣本秩和檢驗，K-W檢驗進行分析。從表3可以看出，磁刺激線圈與腦電電極線成0°時，其偽跡幅值、偽跡持續時間和偽跡后1 000 ms內方差均有統計學差異。

表3 模型試驗統計學檢驗結果

距離模型試驗結果見圖6，當線圈和電極線所成角度為0°時，磁刺激偽跡的幅值隨線圈和導線之間距離的增加而增加。

圖6 實驗中距離變化對應偽跡幅值影響趨勢圖

3.2.2受試者實驗結果 受試者實驗的結果見圖7，圖7(a)體現了在相同位置磁刺激線圈和腦電極線形成不同的角度產生的TMS-EEG信號的波形圖。從圖中可以看出，當線圈和導線成0°角時，TMS-EEG信號的偽跡幅值最小，45°和90°時的偽跡幅值相當。成0°角時，偽跡的持續時間遠遠小于其他角度的情況。圖7(b)體現了當線圈和導線成0°角時，線圈和導線距離和偽跡幅值的關系。當線圈和導線距離為0時，偽跡幅值持續時間最小，隨著距離的不斷增大，偽跡的幅值和持續時間同時增大。

(a)

(b)

可見，當腦電極線與線圈長軸方向平行時，腦電偽跡幅值和持續時間最小，當腦電導線與線圈長軸成其他角度時，產生偽跡幅值和持續時間遠大于0°時的情況；腦電導線平行于線圈長軸時，腦電導線與線圈的距離為0時，產生腦電偽跡最小，當線圈下移時，偽跡會逐漸增大。

4 討論

本研究著眼于TMS-EEG實驗中遇到的線圈放置角度和距離的實際問題，通過理論分析得到磁刺激線圈放電對腦電極線的偽跡影響的兩個原因：(1)線圈擺放角度通過腦電采集線產生的影響，(2)八字線圈放電時其周圍電場強度不均勻使得腦電采集裝置的地電極和測量電極之間產生感應電流；仿真磁刺激線圈相對腦電極帽不同角度、線圈不同位置腦電極線內產生偽跡的幅值和影響時間的趨勢，并通過模型試驗和人體實驗進行驗證。仿真和實驗結果表明，在TMS-EEG實驗過程中，磁刺激線圈相對腦電極線的角度和相對位置是影響腦電偽跡信號的原因，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軸重合時，采集到的腦電信號的偽跡幅值和持續時間最小。因此，實驗前，合理腦電極線排布可降低腦電信號的偽跡幅值，提高性噪比，提高特征值提取的準確性。

本研究還提供了一種評價偽跡信號的手段，即通過排除了腦電信號的模型進行信號采集，將采集到的信號分成刺激時產生的大偽跡和刺激后1 000 ms內的信號偽跡。通過仿真和實驗結果可以看出，腦電極線的重新排布，可以使磁刺激時產生的大偽跡信號的幅值和持續時間在很大程度上降低，這意味著通過腦電極線重新排布可以提取到刺激后10 ms的時間內磁刺激誘發的腦電信號。同時，刺激后1 000 ms偽跡數據的平均值和標準差降低，可以提高磁刺激下1 000 ms內腦電特征信號的提取的準確性。

本研究尚存在的問題：

(1)在探究角度和偽跡的關系時，仿真可以將每個角度的偽跡仿真出來，但是實際實驗由于腦電導線較軟，很難將線圈和腦電導線的相對角度精確到1°，有可能導致角度實驗中數據存在誤差。

(2)在現今的研究中，磁刺激偽跡并無一個標準的評價標準。本研究分析了大偽跡的幅值、持續時間、大偽跡過后1 000 ms的幅值和標準差，是基于偽跡去除之后的腦電信號分析而采取的評價方式。未來還需要更精準、更嚴謹的評價方式。

(3)我們通過仿真和實驗的方法分析出線圈和腦電采集裝置的相對位置改變會改變其偽跡的幅值，但是在實驗過程中，腦電極的位置是不能改變的。所以，未來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時間，但是也并不能完全消除這部分偽跡。在未來研究中，將考慮其他方法，更大程度去除這部分偽跡。

本研究從電磁場理論層面探討TMS-EEG實驗采集信號中的10～100 ms之間的偽跡來源，分析其影響因素，并通過有效方法降低偽跡的干擾，在TMS-EEG實驗中具有重要意義。