[發明專利]基于種群多樣性控制的腦電源定位方法、系統及設備

有效

• 申請號: 202011096444.1
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112294339B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 戴亞康;劉剛;劉燕;王悅
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所;濟南國科醫工科技發展有限公司
• 主分類號: A61B5/369
• 分類號: A61B5/369;A61B5/055;A61B5/00
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理有限公司 11369
• 代理人: 孔凡玲

本發明公開了一種基于種群多樣性控制的腦電源定位方法、系統及設備，基于患者的個性化MRI，構建患者的個性化真實頭模型與源模型。通過基準點法實現EEG?MRI的粗略配準，通過對電極位置手動微調，實現EEG?MRI的精細配準，降低空間模型產生的誤差。基于配準后的空間信息，建立體積傳導模型，計算正向傳導矩陣，進而建立源定位數學模型，為降低計算復雜度，對源定位數學模型進行線性與非線性參數分離。面對逆問題的不適定性與病態性，提出一種基于種群多樣性控制的量子粒子群算法(DQPSO)，通過控制算法的種群多樣性，使算法迭代后期仍然能夠保持較高的全局遍歷尋優能力，進而提高算法收斂到全局最優的概率，保證高定位精度。

技術領域

本發明涉及生物醫學技術領域，具體涉及一種基于種群多樣性控制的腦電源定位方法、系統及設備。

背景技術

大腦神經活動時，伴隨著電荷、電流的運動，外在表現形式為頭皮表面采集到的腦電(EEG)。腦電源定位，就是通過頭皮電位的測量數據反向推演腦內神經活動源分布，也即腦電逆問題。常用的方法之一是偶極子定位法，核心思想是假想腦內神經活動分布可以用有限個電流偶極子近似，一般為一到兩個。源定位則是通過頭皮電位推算出產生顱外電場的等效電流偶極子源的位置與強度信息。腦電逆問題一經提出便受到廣泛關注，具備很高的科學價值及臨床應用價值，有助于腦科學的研究及腦部疾病的診斷。

目前，臨床非侵入性診斷腦部疾病通常需要結合病人的發作狀態及多模態醫學成像技術進行綜合判斷，一種是基于腦結構成像(如磁共振成像，MRI；計算機斷層掃描，CT)的方法，該方法對形態學異常較為敏感，但對于腦功能異常，敏感性不高，而且腦功能異常往往早于腦結構異常。第二種是基于腦功能成像(如正電子發射體層攝影術，PET；功能磁共振成像，fMRI)的方法，以上兩種方法時間分辨率較低，通常在1s左右，而且往往對人體存在一定損傷，如強磁場會對人體帶來輻射作用，尤其對于孕婦和兒童。以上方法優點是空間分辨率較高，可達1-10mm左右。第三種是基于神經電生理學原理(EEG、MEG)的方法，該方法相比以上技術，時間分辨率高，通常在1ms左右，同時對人體完全無創無損，但空間分辨率不及以上技術。因此，通過腦電源定位技術，聯合個性化的腦結構MRI提供的高空間分辨率和EEG提供的高時間分辨率，能夠實現個性化高時空分辨率的病灶定位。

腦電源定位因其不適定性及病態性成為一個極具挑戰性的研究課題。不適定性意味著解是不唯一的，無數顱內源分布對應著給定的顱外腦電分布，導致腦電逆問題屬于多峰值問題。病態性意味著解空間的敏感性，微小的擾動都會帶來解空間的劇烈震蕩，而腦電在測量過程中易混入噪聲，導致了解空間的復雜性。大多數非線性優化方法在面對多峰值問題時，缺乏跳出局部極值的能力，在面對解空間的震蕩性時，缺乏空間遍歷能力，容易出現早熟收斂，陷入局部極值，尤其在面對復雜的真實頭模型時，定位精度較低。

發明內容

本發明為了解決上述技術問題，提出了如下技術方案：

第一方面，本發明提供了一種基于種群多樣性控制的腦電源定位方法，所述方法包括以下步驟：

1)基于患者的個性化MRI，進行腦組織分割，通過三維重建獲得患者的個性化頭模型與源模型，通過坐標轉換配準個性化頭模與個性化源模；

2)建立EEG標準電極布置的幾何模型，基于基準點法實現EEG標準電極模型與個性化MRI的自動粗略配準，再通過手動微調電極位置實現EEG標準電極模型與個性化MRI的精細配準；

3)構建體積傳導空間模型，利用邊界元法或有限元法計算正向傳導矩陣；

4)建立源定位問題的數學模型并通過參數分離對源定位問題的數學模型進行降維；

5)假設電流偶極子源數目，初始化算法粒子數量和迭代次數，在解空間內均勻初始化粒子位置，利用基于種群多樣性的量子粒子群算法：DQPSO進行全局搜索，引入種群多樣性指標并設置種群多樣性下限，根據種群多樣性更新算法的收縮擴張因子，獲得源定位結果。