聚焦超声空间编码脑电信号的耦合响应机制与传感策略研究

EEG signal is the most direct response of brain activity, and it is of great significance for observing the working state of brain and studying the pathogenesis of disease. EEG can conveniently and non-invasively obtain the EEG signal with millisecond resolution. However, due to the effect of volume conductor, EEG has a low spatial resolution, and the spatial information of traditional EEG signal is insufficient. Based on the traditional electrical detection, with coupling between ultrasonic field and electric field, this project intends to use focused ultrasound to spatially encode EEG signal from the activation source, to enrich the spatial information of EEG signal from the source of the signal and then improve the spatial resolution of EEG signal. Firstly, study the coupling principle between ultrasonic field and electric field for brain, explore the response mechanism of ultrasound-encoded EEG signal, then establish the sensor topological strategy, and finally verify and optimize the above principle, mechanism and strategy through multi-layer experiments to achieve EEG signal detection with high temporal resolution and high spatial resolution, to provide new opportunities for the study of neurophysiological and neuropsychological diseases such as epilepsy lesion location.

脑电信号是大脑神经活动最直接的反映，对观测大脑的工作状态、研究疾病的发病机制具有重要意义。脑电图（EEG）可便捷无损获得脑电信号，具有毫秒级时间分辨率。然而，受颅内组织容积导电效应影响，EEG空间分辨率有限，传统脑电信号空间分布信息不足。本项目拟在传统电学检测基础上，基于声场与电场的耦合作用，利用聚焦超声波预先从激活源源头对脑电信号进行空间编码，从信号源头上丰富脑电信号的空间分布信息，进而从根本上提高脑电信号的空间分辨率。首先研究脑声场与电场的耦合机理，进一步探索超声空间编码脑电信号的响应机制，在此基础上制定传感器空间拓扑策略，最后通过多层实验对以上原理、机制以及策略进行验证与优化，实现脑电信号高时间分辨率、高空间分辨率检测，为诸如癫痫病灶定位等神经生理、神经心理性疾病的研究提供新契机。

脑电高时空分辨无创检测对观察大脑神经生理状态、研究病理机制具有重要意义。然而，头皮检测所得EEG受容积导体效应影响，空间分辨率较低，大脑神经系统活动的空间分布信息不足，使之临床实际应用有效性严重受限。针对该问题，本项目在传统电学检测基础上，基于声场与电场的耦合作用，利用聚焦超声波预先从激活源源头对脑电信号进行空间编码，从信号源头上丰富脑电信号的空间分布信息，进而从根本上提高脑电信号的空间分辨率。主要研究内容包括：在脑声场与电场的耦合机理方面，建立了多层头模型，探索了经颅超声声压衰减、焦斑偏移特性，构建了颅骨厚度对经颅声压衰减模型；在超声空间编码脑电信号的响应机制方面，分别从激活源、电学分布特性以及超声场特性三个层面，探索了超声空间编码脑电信号幅值、频率以及相位的响应机制，明确了超声空间编码脑电信号的影响因素以及其对应的相关影响；在传感器空间拓扑策略方面，探究了声电信号的电学分布特性，制定均匀对称的电学传感器空间拓扑结构；此外，开发了基于小波变换的超声空间编码脑电信号解码算法。重要结果包括：相较于模型实验，所构建的经颅聚焦超声声压衰减模型最大计算误差为6.64%，可以有效地计算不同颅骨厚度的超声衰减；同时，实现了多激活源、多特征的激活源成像，每个激活源的成像空间分辨率为1mm-2mm（-6分贝）；更重要的是，首次实现了活体大鼠稳态视觉诱发脑电的声电脑成像。利用单导联实现了4mm×4mm空间范围内激活源定位，首次完成了该技术的活体啮齿类动物可行性原理验证。项目所取得的研究成果为无创方式突破双毫分辨（毫米、毫秒）脑电信息检测奠定基础，有望为诸如癫痫病灶定位等神经生理、神经心理性疾病的研究提供新契机。

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