基于个体颈椎生理曲度的非侵入颈部电刺激电极布设方法

本发明属于脑机接口，更进一步涉及医学数据处理中的一种基于个体颈椎生理曲度的非侵入颈部电刺激电极布设方法。本发明可用于颈部交流电刺激、经皮脊髓电刺激、四电极双通道时间干涉刺激等场景，根据受试者自身颈椎节段走行、体表可贴附区域和感兴趣区域电场分布确定受试者颈部电刺激电极的布局位置。

背景技术：

1、颈髓及其周围神经结构与感觉传导、疼痛调控、运动功能和自主神经活动密切相关。通过体表电极对颈部区域进行非侵入性电刺激，是神经调控、疼痛干预和康复的主要技术手段。在颈部电刺激中，电极布局直接影响电流进入人体后的传导路径，并进一步影响颈髓靶区内的电场强度、刺激范围和空间选择性。尤其对于时间干涉刺激而言，两组通道电场在感兴趣区域内的强度、方向、夹角及空间重叠关系，会影响最终形成的低频调制包络。因此，电极位置并不是简单的外部贴片问题，而是决定刺激是否能够有效作用于目标颈髓节段的关键因素。常见方式包括经皮脊髓电刺激、颈部交流电刺激、颈部直流电刺激以及时间干涉刺激等。现有颈部电刺激或经皮脊髓电刺激的电极布局，多采用固定高度、固定水平切面、外部体表标志或操作者经验进行布置。实际人体颈椎存在个体化生理曲度，不同受试者的颈椎长度、前凸程度、椎体排列方向、颈部体表形态及头颈连接结构均存在差异。因此，固定水平高度或经验性体表定位容易造成电极层面与真实颈椎节段不一致，进而影响靶区电场分布和刺激选择性。基于体表标志或人工经验的电极布局方案、基于固定水平层面的电极候选电极点生成方案、基于有限元电场仿真的电极组合评价方案，以及面向头部或其他部位的多电极优化方案。基于体表标志或人工经验的电极布局方案、基于固定水平层面的电极候选电极点生成方案、基于有限元电场仿真的电极组合评价方案，以及面向头部或其他部位的多电极优化方案。上述方案能够实现基本的电极布置或电场计算，但其候选电极位置往往仍由人工经验、模板位置或固定水平层面给定，未充分根据个体颈椎生理曲度生成候选电极点。

2、中国科学院心理研究所在其申请的专利文献“一种基于生理反馈的闭环经皮脊髓电刺激镇痛系统及方法”（申请日 2026-03-20，申请号 202610348329.x，申请公布号 cn121971802 a）中公开了一种基于生理反馈的闭环经皮脊髓电刺激镇痛系统及方法。该系统包括电极贴片、生理信号采集模块、刺激器和控制模块；其中，电极贴片的柔性基底上集成设置有至少一对电极单元，用于贴附于受试者体表对应脊髓节段区域；控制模块可根据采集到的生理信号评估受试者疼痛状态，并生成控制指令对刺激器输出状态进行闭环调节。在与电极布局相关的内容中，该方法公开了多位点电极贴片及其电极单元排布，例如 a1-a6、b1-b6、c1-c6、d1-d6、e1-e6 等不同电极单元，并可通过选择 c1-c6 中的两个电极单元、脊髓两侧的两个电极单元或多组电极单元组合，实现对一个或多个脊髓节段的刺激。但是，该技术方案仍然存在的不足之处是，虽然公开了在柔性电极贴片上设置多个电极单元，并通过选择不同电极单元组合实现对一个或多个脊髓节段的经皮刺激，但其电极布局是以预设多位点贴片和电极单元组合为基础，默认贴片上的电极单元排布能够对应体表的脊髓节段投影区域。对于颈部经皮刺激而言，不同受试者的颈椎生理曲度、节段倾斜方向、颈部长度、头颈姿态和体表形态差异较大，同一贴片编号或同一体表高度并不必然对应同一真实颈椎节段。因此，仅依据预设贴片排布或人工选择电极单元组合，容易造成电极实际作用层面与目标颈髓节段不一致，使刺激热点偏离感兴趣区域、相邻非目标节段或浅表组织受到较强刺激，进而影响刺激聚焦性和电极组合评价的可靠性。该问题的形成原因在于，该方法侧重于刺激参数和电极单元激活状态的闭环调节，而未针对个体颈椎节段走行与颈部体表形态之间的空间对应关系建立候选电极层面的确定规则。

3、综上所述，现有技术存在以下的不足之处：

4、其一，固定z轴水平切面与真实颈椎节段平面不一致，导致同一标称节段的候选电极点可能偏离真实颈椎局部解剖平面，使电极实际作用层面发生上移、下移或偏向相邻非目标节段的问题；

5、其二，电极点位依赖体表标志或操作者经验、重复性较差，导致不同操作者或不同受试者之间的电极位置难以保持统一规则，进而影响电场结果的可重复性和可比较性的问题；

6、其三，颈部体表形态、头颈姿态和可贴附区域差异导致候选电极点不可贴附或偏离真实目标节段的问题；

7、其四，仅根据几何位置或靶区强度判断布局优劣，导致可能选择整体场强较高但非靶区相对刺激也较高的电极组合，难以区分“靶区增强”和“整体扩散”的问题；

8、其五，对于时间干涉刺激等多通道刺激模式，现有方法往往缺少基于不同通道电场分布进一步计算时间干涉调制分布并据此确定推荐电极布局的过程，导致推荐电极布局难以充分反映目标颈髓区域的电场作用需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于个体颈椎生理曲度的非侵入颈部电刺激电极布设方法，旨在解决现有颈部电刺激电极布局中的三个核心问题：第一，固定水平层面或经验性布点难以适应个体颈椎生理曲度，导致候选电极层面与真实颈椎节段对应关系不准确；第二，候选电极点主要依赖操作者经验或固定模板，缺少由个体颈椎节段和体表轮廓共同确定的规则化、可重复候选电极点生成方式；第三，现有电极布局方法通常缺少将个体化候选电极点、预设刺激模式和感兴趣区域电场作用需求相结合的布局确定机制，难以在满足电极贴附要求和刺激模式要求的基础上，使推荐电极布局更好地服务于目标颈髓区域的有效刺激和电场作用集中。

2、实现本发明目的的技术思路是，本发明通过构建随个体颈椎生理曲度变化的局部解剖平面，并将该平面与个体颈部体表轮廓相结合生成候选电极点，能够针对上述节段错配问题提供个体化的电极布局依据。由于本发明采用基于个体颈椎局部解剖平面的候选电极层面确定技术，使电极候选层面不再由全局固定 z 轴水平面决定，而是由受试者自身c1-c7 颈椎节段参考点、椎体中心、椎间盘中心或颈髓中心线所反映的真实节段走行决定。该技术的突出实质性特点在于，局部解剖平面的中心位置和法向方向均来源于个体颈椎节段空间信息，能够随受试者颈椎前凸程度、节段倾斜方向和头颈姿态变化而变化。因此，该技术能够克服现有固定水平层面与真实颈椎节段平面不一致的不足，使候选电极层面更接近目标颈椎节段的真实解剖位置。由于本发明进一步采用局部解剖平面与个体颈部体表轮廓相结合的候选电极点生成技术，使候选电极点不是由操作者根据体表标志经验估计，也不是由统一模板直接给定，而是在局部解剖平面切取个体颈部体表轮廓后，沿该体表轮廓按照弧长规则生成。该技术的突出实质性特点在于，候选电极点同时受到个体颈椎节段层面和个体体表形态的约束，既具有明确的解剖对应关系，又具有可重复的几何生成规则。因此，该技术能够克服现有电极点位依赖操作者经验、重复性较差以及候选电极点与个体可贴附体表区域对应不准确的不足，提高候选电极点生成的个体适配性和可复现性。由于本发明还根据电极贴附要求和布局规则对候选电极点进行筛选，并按照预设刺激模式构建候选电极组合，进一步计算候选电极组合对应的电场分布；当预设刺激模式为时间干涉刺激时，还根据不同通道的电场分布和刺激频率参数计算时间干涉调制分布。该技术的突出实质性特点在于，推荐电极布局不是单纯依据候选电极点的几何位置确定，而是在满足个体颈椎节段对应关系、体表贴附约束和刺激模式要求的基础上，结合感兴趣区域内的电场分布或时间干涉调制分布是否满足预设电场目标条件进行确定。因此，该技术能够为颈部电刺激提供同时符合个体解剖结构、体表贴附要求和感兴趣区域电场作用需求的电极布局方案。

3、为实现上述目的，本发明具体实现步骤包括如下：

4、步骤1，获取受试者个体颈椎节段信息、颈部体表信息、感兴趣区域信息以及电场计算所需数据；

5、步骤2，由节段参考中心和局部轴向方向构建对应颈椎节段的局部解剖平面；

6、步骤3，按照预设弧长规则生成候选电极点；

7、步骤4，根据电极贴附要求和布局规则对候选电极点进行筛选；

8、步骤5，按照预设刺激模式构建候选电极组合，并计算电场分布或时间干涉调制分布；

9、步骤6，从候选电极组合中确定推荐电极布局；

10、步骤7，输出推荐电极布局中各电极点的候选电极点编号、所属颈椎节段、三维空间坐标、左右侧位置、上下层位置和通道分配关系，并生成包含推荐电极布局参数、候选电极点信息、电场计算结果和可视化结果的报告。

11、进一步地，所述受试者个体颈椎节段信息的获取步骤如下：

12、第一步，获取受试者 c1-c7 颈椎节段的影像标注、分割标签、中心线数据或模型数据；

13、第二步，从所述影像标注、分割标签、中心线数据或模型数据中提取椎体中心、椎间盘中心、颈髓中心线点或椎管中心线点中的至少一种节段参考点；

14、第三步，将所述节段参考点转换或记录在与颈部体表信息和电场计算数据一致的空间坐标系中，形成用于构建局部解剖平面的颈椎节段信息。

15、进一步地，所述颈部体表信息的获取步骤如下：

16、第一步，读取受试者颈部皮肤表面、头颈外表面网格、三维点云或可贴附表面区域数据；提取其中与目标颈椎节段对应的颈部体表区域；

17、第二步，将所述颈部体表区域转换或记录在与颈椎节段信息一致的空间坐标系中，形成与局部解剖平面进行相交计算的个体颈部体表信息。

18、进一步地，所述感兴趣区域信息的获取步骤如下：

19、第一步，读取感兴趣区域的空间范围、目标颈髓节段标识或预设靶区定义；

20、第二步，判断所述感兴趣区域、目标颈髓节段标识或预设靶区定义与电场计算数据是否处于一致的空间坐标系或具有空间对应关系，若是，则执行第四步，否则，执行第三步；

21、第三步，当所述感兴趣区域、目标颈髓节段标识或预设靶区定义与电场计算数据不处于一致空间坐标系或不存在空间对应关系时，对所述感兴趣区域进行空间转换、配准、映射、插值或最近邻对应处理，使其与电场计算数据建立空间对应关系后执行第五步；

22、第四步，当所述感兴趣区域与电场计算数据已处于一致空间坐标系或已具有空间对应关系时，直接读取其与电场计算数据之间的对应关系；

23、第五步，根据所述感兴趣区域与电场计算数据之间的空间对应关系，在电场计算数据中确定落入所述感兴趣区域范围内的网格节点、网格单元或采样点，形成感兴趣区域计算点集合。

24、进一步地，所述节段参考中心和局部轴向方向是由下述步骤得到的：

25、第一步，根据感兴趣区域的空间位置、目标颈髓节段标识或预设靶区定义，确定目标刺激区域对应的目标颈椎节段；

26、第二步，以所述目标颈椎节段为中心，根据预设的上下相邻节段范围、电极尺寸、刺激模式和安全约束，确定参与候选电极点生成一个或多个颈椎节段，并根据确定的颈椎节段的空间位置确定候选电极搜索范围；

27、第三步，读取参与候选电极点生成的每一颈椎节段对应的椎体中心、椎间盘中心、颈髓中心线点或椎管中心线点中的一种或多种节段参考点；

28、第四步，根据所述节段参考点计算对应颈椎节段的节段参考中心 p0_k，所述节段参考中心 p0_k 由该节段上下相邻椎间盘中心的中点、椎体中心、颈髓中心线点、椎管中心线点或其组合确定；

29、第五步，根据相邻节段参考点之间的连线方向、相邻椎间盘中心连线方向、相邻椎体中心连线方向、颈髓中心线切向量或椎管中心线切向量中的一种或多种，计算对应颈椎节段的局部轴向方向，并将所述局部轴向方向归一化得到局部轴向单位向量 n_k。

30、进一步地，所述颈椎节段的局部解剖平面由所述节段参考中心 p0_k 和所述局部轴向单位向量 n_k 构建，其中，以所述节段参考中心 p0_k 作为局部解剖平面的平面参考点，以所述局部轴向单位向量 n_k 作为局部解剖平面的法向量，构建 的局部解剖平面，使候选电极点所在层面由个体颈椎节段空间信息确定，并随个体颈椎生理曲度变化。

31、进一步地，所述按照预设弧长规则生成候选电极点的步骤如下：

32、第一步，将所述局部解剖平面表示为 ，并计算个体颈部体表或头颈模型外表面中各表面点、网格节点或面片边界点相对于所述局部解剖平面的有符号距离；

33、第二步，根据所述有符号距离，确定与所述局部解剖平面相交的体表边、体表面片或体表点；对于位于所述局部解剖平面两侧的体表边，通过线性插值计算该体表边与所述局部解剖平面的交点；将位于预设距离阈值内的体表点作为候选轮廓点；

34、第三步，将所述交点或候选轮廓点按照空间邻接关系、轮廓连续性或弧长顺序进行连接，获得局部解剖平面切取个体颈部体表后形成的体表轮廓；

35、第四步，在所述体表轮廓上确定后正中参考点或中间候选电极点；

36、第五步，以所述后正中参考点或中间候选电极点为起点，沿所述体表轮廓分别向左侧和右侧计算弧长距离；

37、第六步，根据预设弧长间隔、电极尺寸或候选电极点数量，在所述体表轮廓两侧依次采样，生成多个候选电极点；

38、第七步，为所述候选电极点记录所属颈椎节段、候选电极点编号和确定相应的三维空间坐标。

39、进一步地，所述根据电极贴附要求和布局规则对候选电极点进行筛选的步骤如下：

40、第一步，将按照预设弧长规则生成的候选电极点汇总为候选电极点集合，并获取每个候选电极点的三维空间坐标、所属颈椎节段、候选电极点编号、所属体表轮廓位置以及对应的体表区域信息；

41、第二步，根据预设可贴附区域对候选电极点进行位置判断：当候选电极点位于预设可贴附区域之外，或者位于预设排除区域内时，将该候选电极点从候选电极点集合中剔除；所述预设可贴附区域由颈部体表标签、体表轮廓范围、空间坐标范围、可贴附区域边界或排除区域边界中的一种或多种确定；

42、第三步，根据目标节段位置和候选电极搜索范围，筛选候选电极点的节段范围；读取候选电极点所属颈椎节段、候选电极点编号以及候选电极点在对应体表轮廓上的位置，判断该候选电极点是否属于参与候选电极点生成的一个或多个颈椎节段，并判断该候选电极点是否位于预设候选电极搜索范围内；若候选电极点不属于所述参与候选电极点生成的颈椎节段，或者不位于所述预设候选电极搜索范围内，则将该候选电极点从候选电极点集合中剔除；

43、第四步，根据预设最小电极间距，对候选电极点之间的间距进行判断：当两个候选电极点之间的间距小于预设最小电极间距时，剔除其中至少一个候选电极点，或者剔除由该两个候选电极点构成的候选电极点组合；所述间距是以候选电极点在体表轮廓上的弧长距离来确定，或者以候选电极点三维坐标之间的欧氏距离、体表测地距离中的一种或多种进行辅助确定；

44、第五步，根据预设刺激模式和布局规则，对剩余候选电极点进行组合约束判断；所述布局规则是根据电极数量、通道数量、电极贴附要求和刺激模式预先设定，包括左右侧分布规则、上下层分布规则、通道配对规则、电极数量规则或电极间距规则中的一种或多种；其中，左右侧分布规则根据候选电极点相对于后正中参考点或中间候选电极点的体表轮廓位置进行判断，上下层分布规则根据候选电极点所属颈椎节段或上下层编号进行判断，通道配对规则根据预设刺激模式下的通道数量、电极极性和通道构成关系进行判断，电极间距规则根据候选电极点之间的弧长距离、欧氏距离或体表测地距离进行判断；

45、进一步地，所述按照预设刺激模式构建候选电极组合，并计算电场分布或时间干涉调制分布的步骤包括：

46、第一步，读取经筛选后保留的候选电极点，并将所述候选电极点作为筛选后候选电极点集合，根据预设刺激模式确定候选电极组合所需的电极数量、通道数量、电极极性、电流幅值和刺激频率参数；

47、第二步，从所述筛选后候选电极点集合中，按照所述电极数量、通道数量、电极极性和预设组合规则选取候选电极点，并将所选候选电极点及其对应的通道分配关系、电极极性和电流参数共同定义为一个候选电极组合；

48、第三步，对所述筛选后候选电极点集合中的候选电极点进行 leadfield 预计算，获得各候选电极点对应的单位电流电场分布；

49、第四步，根据候选电极组合中各候选电极点对应的 leadfield、电极极性、电流幅值和通道分配关系进行线性叠加，获得对应候选电极组合下的电场分布；

50、第五步，当所述预设刺激模式为时间干涉刺激时，根据不同通道对应的电场分布和刺激频率参数，进一步计算对应候选电极组合下的时间干涉调制分布。

51、进一步地，所述从候选电极组合中确定推荐电极布局的步骤如下：

52、第一步，根据感兴趣区域信息与电场计算数据之间的空间对应关系，确定感兴趣区域计算点集合；

53、第二步，在所述感兴趣区域计算点集合内提取候选电极组合对应的电场强度值、时间干涉调制强度值或电场矢量值；

54、第三步，根据所述电场强度值、时间干涉调制强度值或电场矢量值，判断候选电极组合是否满足预设电场目标条件；

55、第四步，将满足所述预设电场目标条件的候选电极组合确定为推荐电极布局；当存在多个满足所述预设电场目标条件的候选电极组合时，按照预设选择规则从中确定一个或多个推荐电极布局。

56、本发明与现有技术相比较，具有如下优点：

57、第一，由于本发明采用基于个体颈椎节段空间信息构建局部解剖平面的技术，使候选电极点所在层面不再依赖预设固定参考层面或统一水平层面，而是由受试者个体颈椎节段空间信息确定，并随个体颈椎生理曲度、节段倾斜方向和头颈姿态变化而调整，克服了现有固定参考层面与真实颈椎节段平面不一致的缺陷，从而提高候选电极点与目标颈椎节段之间的空间对应准确性。

58、第二，由于本发明采用局部解剖平面与个体颈部体表或头颈模型外表面相交获得体表轮廓，并沿体表轮廓按照预设弧长规则生成候选电极点，克服了现有技术中电极点位主要依赖体表标志、操作者经验或统一模板导致重复性较差的缺陷，使得候选电极点的生成具有明确的解剖依据和几何规则。在此基础上，本发明进一步结合电极尺寸、预设可贴附区域、预设排除区域、最小电极间距、左右侧分布规则、上下层分布规则和通道配对规则对候选电极点或候选电极点组合进行筛选，使得候选电极点不仅能够对应目标颈椎节段，而且更符合实际颈部体表贴附要求。