一种大脑皮层功能区定位装置、方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及神经外科领域。具体地说是一种大脑皮层功能区定位装置、方法和系 统。
【背景技术】
[0002] 临床上，在神经外科手术之前，为了保证手术的效果，需要进行充分而严谨的术前 评估。已有研究表明，大脑皮层上不同的区域，对应于人体的不同功能，如运动区、语言区、 视觉区等等。在神经外科手术中，一方面需要切除大脑皮层上导致神经疾病的病灶区域，一 方面又要尽可能多的保留患者的运些正常功能区，W尽量降低患者正常人体功能的损失。 为实现运一目标，就需要在术前评估时，对大脑皮层上的主要功能区域进行精确定位，从而 更清晰的界定手术中要切除的病灶区和要保留的正常功能区之间的解剖界限，最终得W提 高患者术后的生活质量。
[0003] 对于大脑皮层上运动功能区的定位，最核屯、的逻辑就是，在大脑皮层的特定解剖 区域和人体的特定功能之间，建立起对应关系。有两种基本模式:一是向大脑输入，即通过 技术手段刺激特定的皮层区域，同时观察人体出现怎样的反应、执行怎样的功能，如手动脚 动等，那么就认为运个皮层区域的输入导致了人体激活该项功能;运种模式的典型技术是 皮层电刺激。第二种模式则是反过来，观察大脑输出，即通过语音或图像等方式的提示，让 受试执行指定的任务，如动手、动脚等，同时观察大脑皮层的哪些区域产生了相应的活动， 如大脑血液供给增加或脑电波的发放，那么就认人体执行该项功能时需要大脑运个皮层区 域的参与;运种模式的技术很多，包括功能核磁共振成像、头皮脑电图、烦内脑电图等等。
[0004] 现有技术中的大脑皮层功能定位方法，主要存在W下几种方法：
[0005] (1)皮层电刺激技术
[0006] 运是一种直接向大脑进行输入的方法。
[0007] 其基本原理为：大脑皮层由海量的神经细胞组成，而运些神经细胞之间的信息传 递，是通过发放和传递电生理信号的方式来实现的。如果对大脑皮层施加一个外加的电刺 激，也会激活相应的神经细胞群。那么，将电极植入受试的烦骨内部，与大脑皮层形成接触， 即所谓烦内电极。然后，通过成对的烦内电极，对大脑皮层的相应触点发放特定频率和强度 的电流，即对皮层进行电刺激，观察该皮层区域所对应的肢体功能是否有相应的反应，就可 W确定运动区在大脑皮层上的位置。运种方法能够精确定位感觉运动区，是临床上确定大 脑皮层功能区的"金标准"，所谓"金标准"，即临床医学界公认的诊断疾病的最可靠、最准 确、最好的诊断方法，其它诊断方法的准确与否，都要W其为判断标准。
[0008] 该方案存在的缺陷如下：首先，检查时间较长，一般需要2~4小时；受试出现阳性 反应的阔值差别很大，较大的刺激强度容易在烦内扩散而引起远隔区域的激活，导致结果 的误判;特别是对于神经外科中的癒痛病人，功能区附近的电刺激容易诱发癒痛发作或后 放电的出现，使测试无法进行。
[0009] (2)功能磁共振成像技术
[0010] 运是一种无创的观察大脑输出的方法。
[0011] 其基本原理为：当大脑皮层的某个区域执行其对应的功能时，该区域中的神经细 胞，会消耗大量的能量，就需要增加葡萄糖和氧等能量物质的供给。而运些能量，需要由分 布于神经细胞周边的血管中的血液携带而来，即需要血管中血流的增加。而大脑中血流的 变化，又会导致该脑区的磁场发生变化;而运种磁场的变化，又可W被一种被称为磁共振成 像仪的设备所检测到。那么，如果受试在执行某项功能时，我们通过磁共振成像仪观察到其 大脑皮层的特定区域的磁场发生了变化，就可W认为该脑区在执行运个功能时被激活，也 就实现了大脑皮层的功能定位。该技术的优势在于完全无创的全脑检测，W及较高的空间 分辨率。
[0012] 该方案存在的缺陷为:设备本身和检查费用都很昂贵;设备无法移动，无法在患者 床旁进行检查;实验操作复杂。
[0013] (3)烦内脑电图技术
[0014] 运是一种有创的观察大脑输出的方法。
[0015] 其基本原理为：烦内脑电图和皮层电刺激技术，使用同样的烦内电极。所不同的 是，烦内脑电图不是像皮层电刺激那样的向大脑皮层发射电流，而是通过烦内电极，记录受 试在执行某项功能时，大脑皮层自身所产生的神经生物电活动。烦内电极按照其形状和安 装位置的不同，可分为两种，即表面电极和深部电极。表面电极呈片状或网状，需要通过开 烦手术掀开受试的烦骨，把表面电极放置在大脑皮层表面。深部电极呈长条状，是通过在烦 骨上钻孔把电极插入大脑的深部组织当中。
[0016] 该方案的实验流程如图1所示。计算机4中的实验软件，通过显示器向受试显示屏 幕提示1。受试位于显示器之前，根据显示器上的屏幕提示1如："动手指"、"动舌头"），执行 各种运动任务。与此同时，位于受试烦骨内部的若干烦内电极2,采集到受试大脑皮层的神 经生物电信号，并将该信号通过脑电放大器3,最终传送到计算机4中进行数据处理、分析和 存储。同时，为了在受试的脑电信号和他所执行的动作之间建立起对应关系，计算机在呈现 屏幕提示1的同时，会发送一个同步信号给脑电放大器，脑电放大器把运个同步信号5和烦 内的脑电信号，一起传递给计算机。最后在计算机中，使用功率谱建模的方法，对数据进行 处理和分析。
[0017] 大脑运动皮层功能定位实验的基本范式是，首先向受试呈现屏幕指示，让受试执 行一个运动任务，然后记录受试的大脑皮层中的响应事件信号;进一步，通过分析受试所执 行任务和响应事件信号之间的相关性，来确定大脑皮层区域所对应的功能。实验中有一个 重要的问题，即：受试到底是何时真正的执行所要求的任务W及产生相应的响应的事件信 号的？也就是说，实验需要一个精确的时间同步标记，来记录受试的执行任务和响应时刻信 息，运样才能在刺激和对应的响应之间，建立起对应关系，后面的相关分析才能成为可能。 目前，一般采用的方法为：向受试显示屏幕提示的同时，向神经信号的采集仪器(如脑电放 大器)发送一个同步信号，用W和受试执行任务时刻的脑电信号进行同步。
[0018] 该方案存在缺陷如下：使用屏幕提示作为事件同步标记的方式，其假设受试在看 到屏幕提示后，会立刻执行任务，同时大脑皮层产生响应信号。但运个假设在某些实验范式 中并不成立。如图2所示，屏幕提示和同步信号都在tl时刻发出，受试可能在t2时刻才真正 开始运动，并在t3时刻产生脑电信号。t2和t3时刻同步的，但是tl和t2时刻并不同步，因为 受试可能在看到屏幕提示后一段时间才真正开始运动，那么在tl和t2时刻之间，就会产生 一个时间差At,运个时间差会因受试的身体情况、行动能力或者理解能力的不同而不同。 也就是说，运种在屏幕提示同时所产生的同步标记，无法准确的反映受试实际的执行任务 和响应信号产生时间，进一步也会影响之后的相关分析和皮层功能定位的准确性。
[0019] 此外，该方案中所采集的原始脑电数据，并不能直接用来进行皮层功能定位，而是 要进一步进行数据处理和分析。既然烦内脑电是一种电信号，必然包含频率高低不同的各 个成分，而其中的高频成分(大于60化）的能量变化，和大脑的运动区具有很好的对应性。和 皮层电刺激相比，运个频段采集的是大脑在任务状态下的自发性的生理活动，没有任何额 外的刺激输入，避免了外来刺激的干扰。现有技术中基于高频烦内脑电的研究，主要依靠功 率谱建模的方法，即比较任务状态和休息状态下，烦内脑电的高频能量是否有明显的变化。
[0020] 高频烦内脑电的功率谱建模方法存在的缺陷为:算法复杂，实验时间长。需要在被 试执行任务之前，采集10分钟甚至更长的无任务状态信息，来建立统计模型。需要受试长时 间执行肢体任务，需要受试有很好的精神状态和配合横渡。
【发明内容】
[0021] 为此，本发明所要解决的第一个技术问题在于现有技术中的信号同步方法不能达 到真正的同步，存在同步误差，影响后续处理的准确性，从而提出一种可W很好的实现信号 同步的大脑皮层功能区定位装置、方法和系统。
[0022] 本发明所要解决的另外一个技术问题在于现有技术中的高频烦内脑电的功率谱 建模方法存在算法复杂，实验时间长的缺点，从而提出一种计算量小、实验时间短的大脑皮 层功能区定位方法和装置。
[0023] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0024]