TMS线圈与EEG电极线相对位置对TMS-EEG信号的影响*

金芳，靳静娜，刘志朋，殷涛

(中国医学科学院北京协和医学院 生物医学工程研究所，天津 300192)

1 引 言

经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)技术是现代脑科学研究的一种技术手段，具有无痛、无创等优点[1]。如今，TMS技术可广泛用于认知研究[2]、临床神经科学研究[3]和神经精神疾病的治疗[4]之中。将TMS和头皮脑电(electroencephalography，EEG)结合起来可作为研究大脑皮层功能和皮层连接的有效手段[5]。1989年，Cracco首先将TMS和EEG相结合，检测并分析了TMS激发对侧皮层脑电信号提取的特征值[6]，分析了脑皮层的抑制功能。TMS会激活局部皮层组织，而EEG在记录局部脑皮层神经传导时具有很高的时间分辨率，将两者结合可以实时、量化分析磁刺激对大脑皮层的改变。TMS-EEG已被广泛应用在脑连接性研究[7]、脑功能研究[8]、神经精神疾病诊断[9]及神经精神疾病治疗效果的检测[10]中。

然而，现有手段采集到的TMS-EEG信号混杂着不同种类的伪迹信号，部分掩盖了真正TMS诱发的神经活动信号[11]。其中，在刺激区域造成的较大伪迹信号主要与磁刺激线圈瞬时放电产生的线圈周围电磁场有关[12]。为了解决此问题，研究者通过改变脑电放大装置直接去除这部分伪迹，比如采样保持电路[13]和TMS-EEG匹配放大设备[14]，或者利用软件手段，比如ICA方法[11]将伪迹信号和脑电信号分离开。这种单纯删除伪迹的方法，并未分析TMS-EEG产生电磁伪迹的电磁场原因，在实际操作中并未将电磁伪迹很好地去除。2011年Sekiguchi[12]分析了电极线的不同排布方式对TMS-EEG产生电磁伪迹的影响。作者从实验角度分析了线圈摆放角度、磁刺激输出幅值对TMS-EEG电磁伪迹的影响。但作者仅探讨了线圈摆放角度对TMS-EEG伪迹的影响，在实验数据缺乏统计学分析，数据说服力不强。

本研究从磁刺激线圈电磁场分布出发，首先推导出八字线圈在空间内电场分布的公式，借用公式分析出八字线圈电场分布对脑电采集回路产生的影响，利用matlab软件仿真出刺激线圈与脑电极线成不同角度、不同距离时产生的伪迹信号的变化趋势；而后，通过实验证明改变线圈与脑电极线间角度、距离可以降低伪迹信号的幅值和持续时间等参数；最后通过分析以上结论，给出TMS-EEG实验中线圈相对电极线的最佳角度和位置，为TMS-EEG实验提供指导。

2 方法

2.1 线圈感应电场分布方程推导

本研究采用半无界的数学模型，把头部界面近似为一个平面，考虑了不同界面电荷积累。

根据法拉第电磁感应定律和斯托克斯公式可以推出对半无界平面的线圈电场分布为公式(1)[15]：

(1)

如图1，将直角坐标的原点定位于线圈中心。空间任意一点P(x,y,z)到线圈上电流元的距离可以表示为|r-r′|，积分路径的矢量元为dl。

如图1，选取八字线圈中心为坐标原点，线圈长轴方向为L方向，线圈短轴方向S方向，线圈半径为R。根据半无界空间的电场分布可推出平行于八字线圈所在平面的任意点P(x,y,z)引发的感应电场表达式公式(2)，I为线圈内电流，从0°到α°(α∈[0，360])进行积分：

图1 八字线圈积分路径示意图

(2)

2.2 线圈放电对脑电信号产生干扰的理论分析

在TMS-EEG实验中，八字线圈会转换不同角度以获得脑皮层刺激的最大值。实验中可以通过改变脑电极线与线圈的相对位置和距离，进而减少伪迹信号的幅值和持续时间是TMS-EEG实验中必不可少的步骤。利用Ansys仿真可知，如图2，八字线圈的电场强度最大位置在八字线圈中心处，沿八字线圈Z轴方向下方平面的电场强度空间分布不均匀。所以，我们从两个方面分析八字线圈放电时通过对脑电极线对脑电信号产生的影响：(1)八字线圈放电时通过脑电电极连接导线对其下方导线脑电信号的影响，(2)八字线圈放电时其周围电场强度不均匀使得脑电采集装置的地电极和测量电极之间产生感应电流。

图2 八字线圈沿Z轴方向下1mm处平面电场分布

2.2.1线圈摆放角度通过脑电采集线产生的影响

见图3，将磁刺激线圈逆时针转过θ角度时，X、Y方向的电场强度见公式(3)：

(3)

根据公式(4)：

(4)

其中A表示脑电电极线中导线的面积，R代表回路电阻，σ代表电导率，磁刺激线圈在脑电极线中产生电压见公式(5)：

(5)

图3 八字线圈摆放角度对脑电采集线的影响示意图

2.2.2线圈摆放距离通过脑电电极产生的影响 在TMS-EEG实验的过程中，八字线圈放电时其周围电场强度不均匀使得脑电采集装置的地电极和测量电极之间产生感应电流。线圈摆放位置对脑电电极线影响见图4，其中测量电极和地电极之间的电阻值为5KΩ，代表人头皮电阻为5KΩ[12]。

图4 线圈摆放位置对脑电电极线影响示意图

根据式(2)和(4)，当测量电极C3坐标为(x0，0，z0)，地电极坐标为(x0，d，z0)时，线圈不同位置的伪迹电压见公式(6)。

(6)

2.3 仿真和实验方法

2.3.1仿真方法 本研究按照半无界空间数学模型进行了数值仿真。利用放电电流公式(2)和(7)模拟计算八字线圈磁刺激线圈放电时感应电场值；通过公式(5)仿真不同角度的磁刺激线圈对脑电极线的影响；通过公式(6)，设置不同的距离，分析线圈与脑电采集装置不同距离时的伪迹信号的变化。

(7)

2.3.2实验方法

2.3.2.1实验过程 本研究开展了模型试验和人体实验。模型实验利用一个模拟人头导电率的西瓜模型(半径0.1028 m，平均电导率为0.35 m/S,西瓜表面和脑电采集电极之间的电阻为5 KΩ)。西瓜模型可以最大程度上接近人体电导率，并可排除脑电信号的干扰，得到干净的磁刺激伪迹信号[12]。使用单通道脑电采集方法，见图4，其中测量电极和地电极之间的距离为71 mm，测量电极和线圈中心的距离为70 mm，(根据64导联Neuroscan脑电极帽电极距离)使地点极、参比电极和测量电极的电极线保持平行，八字线圈平行放置在脑电极线上。

在模型试验中，选取了不同角度和距离进行实验。在角度实验中，规定线圈长轴与脑电极线平行的方向的角度为0°，线圈逆时针转45°时的方向的角度为45°，线圈短轴与脑电极线平行时的方向的角度为90°。每个模型进行三个角度实验，角度分别为0°，45°，90°，每个实验进行10次刺激。在位置实验中，线圈中点和线圈的直线距离为d，每个模型d分别设置为10、20、30、40、50 mm，共5次实验，每个实验进行10次刺激。

受试者实验选取两名健康右利手男性被试，年龄分别为23、24岁。在实验中，被试在可调节的扶手椅上舒适坐好，保持睁眼状态。依照模型实验参数设置对受试者开展角度和距离实验。

2.3.2.2实验器材 实验采用Neurosacn脑电采集系统、Neuroscan 64导联脑电帽，脑电电极为Ag/AgCl电极。、经颅磁刺激器采用英国Magistim公司的Magistim Rapid2经颅磁刺激器，最大输出为2.2 T，模型试验和人体实验均使用刺激器最大输出的70%作为输出强度。

3 结果

3.1 仿真结果

如图3，分别对线圈摆放角度为0°，45°，90°时在导线回路中产生的感应电流进行计算，其中西瓜电导率σ为0.33 s/m[16]，放电电压μ0=2000 V，总电感L=22μH，总电容C=100μF,放电强度为总强度的70%，电阻脑电帽采集线的截面积为A=1.5175×10-6m2。图5(a)显示了0°～90°时在导线回路中产生的感应电压幅值变化。

当磁刺激线圈和脑电极线成0°距离为10、20、30、40、50 mm时，不同线圈摆放位置伪迹的幅值趋势，见图5(b)。

3.2 实验结果

3.2.1模型实验结果 表1为模型实验的结果，反映了磁刺激时的伪迹幅值、及伪迹持续时间。表2体现了伪迹过后1 000 ms平均值，伪迹过后1 000 ms幅值的方差。这里伪迹的定义为：在磁刺激线圈放电时对脑电线回路产生的，幅值从1 000～10 000 μV的持续很短时间的大幅值伪迹信号。伪迹结束的时间可定义为：大幅值伪迹过后信号恢复到刺激前水平的时间点。伪迹持续时间表示的是从刺激点开始到伪迹结束中间的持续时间。从表1可以看出，线圈与导线成0°时，伪迹幅值、持续时间远远小于线圈与导线成45°和90°时的情况。线圈与脑电极线成其他角度的伪迹平均幅值大约是0°时伪迹幅值的10倍，其他角度的平均持续时间大约是0°时持续时间的13倍。其他角度的伪迹后1 000 ms幅值平均值大约是线圈和电极线成0°的64倍，其他角度伪迹后1 000 ms幅值标准层差大约是成0°时的100倍。

图5 角度、距离变化对应伪迹幅值变化趋势仿真图形

表1 模型实验的伪迹幅值持续时间

表2 模型实验大伪迹之后1000ms信号的幅值和标准差

实验数据利用完全随机化设计两独立样本秩和检验，K-W检验进行分析。从表3可以看出，磁刺激线圈与脑电电极线成0°时，其伪迹幅值、伪迹持续时间和伪迹后1 000 ms内方差均有统计学差异。

表3 模型试验统计学检验结果

距离模型试验结果见图6，当线圈和电极线所成角度为0°时，磁刺激伪迹的幅值随线圈和导线之间距离的增加而增加。

图6 实验中距离变化对应伪迹幅值影响趋势图

3.2.2受试者实验结果 受试者实验的结果见图7，图7(a)体现了在相同位置磁刺激线圈和脑电极线形成不同的角度产生的TMS-EEG信号的波形图。从图中可以看出，当线圈和导线成0°角时，TMS-EEG信号的伪迹幅值最小，45°和90°时的伪迹幅值相当。成0°角时，伪迹的持续时间远远小于其他角度的情况。图7(b)体现了当线圈和导线成0°角时，线圈和导线距离和伪迹幅值的关系。当线圈和导线距离为0时，伪迹幅值持续时间最小，随着距离的不断增大，伪迹的幅值和持续时间同时增大。

(a)

(b)

可见，当脑电极线与线圈长轴方向平行时，脑电伪迹幅值和持续时间最小，当脑电导线与线圈长轴成其他角度时，产生伪迹幅值和持续时间远大于0°时的情况；脑电导线平行于线圈长轴时，脑电导线与线圈的距离为0时，产生脑电伪迹最小，当线圈下移时，伪迹会逐渐增大。

4 讨论

本研究着眼于TMS-EEG实验中遇到的线圈放置角度和距离的实际问题，通过理论分析得到磁刺激线圈放电对脑电极线的伪迹影响的两个原因：(1)线圈摆放角度通过脑电采集线产生的影响，(2)八字线圈放电时其周围电场强度不均匀使得脑电采集装置的地电极和测量电极之间产生感应电流；仿真磁刺激线圈相对脑电极帽不同角度、线圈不同位置脑电极线内产生伪迹的幅值和影响时间的趋势，并通过模型试验和人体实验进行验证。仿真和实验结果表明，在TMS-EEG实验过程中，磁刺激线圈相对脑电极线的角度和相对位置是影响脑电伪迹信号的原因，其中角度是影响伪迹幅值的主要原因。脑电极线与磁刺激线圈长轴重合时，采集到的脑电信号的伪迹幅值和持续时间最小。因此，实验前，合理脑电极线排布可降低脑电信号的伪迹幅值，提高性噪比，提高特征值提取的准确性。

本研究还提供了一种评价伪迹信号的手段，即通过排除了脑电信号的模型进行信号采集，将采集到的信号分成刺激时产生的大伪迹和刺激后1 000 ms内的信号伪迹。通过仿真和实验结果可以看出，脑电极线的重新排布，可以使磁刺激时产生的大伪迹信号的幅值和持续时间在很大程度上降低，这意味着通过脑电极线重新排布可以提取到刺激后10 ms的时间内磁刺激诱发的脑电信号。同时，刺激后1 000 ms伪迹数据的平均值和标准差降低，可以提高磁刺激下1 000 ms内脑电特征信号的提取的准确性。

本研究尚存在的问题：

(1)在探究角度和伪迹的关系时，仿真可以将每个角度的伪迹仿真出来，但是实际实验由于脑电导线较软，很难将线圈和脑电导线的相对角度精确到1°，有可能导致角度实验中数据存在误差。

(2)在现今的研究中，磁刺激伪迹并无一个标准的评价标准。本研究分析了大伪迹的幅值、持续时间、大伪迹过后1 000 ms的幅值和标准差，是基于伪迹去除之后的脑电信号分析而采取的评价方式。未来还需要更精准、更严谨的评价方式。

(3)我们通过仿真和实验的方法分析出线圈和脑电采集装置的相对位置改变会改变其伪迹的幅值，但是在实验过程中，脑电极的位置是不能改变的。所以，未来可以采用其他手段减少该部分伪迹。

(4)改变磁刺激线圈和脑电极线可以很大程度上减少伪迹幅值和持续时间，但是也并不能完全消除这部分伪迹。在未来研究中，将考虑其他方法，更大程度去除这部分伪迹。

本研究从电磁场理论层面探讨TMS-EEG实验采集信号中的10～100 ms之间的伪迹来源，分析其影响因素，并通过有效方法降低伪迹的干扰，在TMS-EEG实验中具有重要意义。