经颅磁刺激联合脑电图（TMS-EEG）技术介绍（下）

5. 经颅磁刺激联合脑电图（TMS-EEG）同步的难点 

1.电极易产生感应电流 

常规电极一般为圆环形在 TMS 强磁场下因为电磁感应现象易在电极中产生感应电流，容易造成灼伤头皮，另外因为磁场强度比较大，与电极连接的放大器也容易损坏脑电放大器。

图 1 常规电极和 TMS 同步电极 

解决方案：采用同步 TMS 采集的专用电极 

1.TMS 兼容的电极具有轻薄特点，厚度小于4毫米，不会因为电极高度过高影响 TMS 刺激效果。 

2.电极采用特殊的设计，使得在强磁场下不会产生感应电流导致放大器饱和情况；该解决方案允许经颅磁刺激线圈放置非常接近头皮和抒发与低强度刺激诱发反应。 

2.EEG 伪影 

TMS 刺激带来的 EEG 伪影，造成 EEG 信息的缺失，如果要分析刺激中的状态就没办法进行分析。BrainProducts 同步配套的分析软件 Analyzer 分析软件强大，利用软件可纠正因为 TMS 同步采集造成的伪影。 

图 2 修正前后图形对比 

6. 经颅磁刺激联合脑电图（TMS-EEG）结合方案 

TMS 与 EEG 结合使用可以在进行 TMS 刺激时采集受试者的 EEG 信号，研究 TMS 对大脑的影响。这一直是学者希望进行的研究课题，但是过去由于技术的限制，如 TMS 强大磁场对 EEG 信号的干扰，伪差去除的滤波技术等，很久以 来无法实现。现在德国 BP 公司与英智科技公司联合，研制出了 TMS 与 EEG 结合的方案。 

图 3 EEG&TMS 结合使用 

为什么结合 EEG & rTMS ? 

• EEG 和 TMS 结合可提供更有意义的应用：
• 大脑皮层连接评估：EEG 可以记录到 TMS 刺激在大脑皮层的诱发电位，以评估皮层的反应和连接； 
• 交互：研究在一个认知任务中 TMS 在何处，什么时候以及如何影响功能网络； 
• 定位：影响大脑活动以了解皮层节律与知觉，认知或运动过程之间的关系；
• TMS 的高能量特性和 EEG 的高分辨率特性 -> 技术挑战 

技术挑战与解决方法 

   将 TMS 与 EEG 结合进行研究是一个技术上的挑战，因为 :

• ⑴. TMS 线圈在进行刺激时诱发出很强的电磁场，会长时间使放大器处于饱和状态，而影响 EEG 信号的采集；
• ⑵. TMS 脉冲对 EEG 信号将持续数百毫秒；
• ⑶. 在 EEG 导连线上 诱导出市电噪声（50 或 60Hz）；
• ⑷. 刺激结束后的 TMS 线圈充电会对 EEG 造成干扰。 

放大器饱和

TMS 刺激时的强大磁场可长时间的使 EEG 放大器处于饱和状态，无法进行脑电信号的采集，直到最近几年避免这种现象的唯一方式是屏蔽放大器。例如屏蔽 Bp 公司的 BrainAmps 放大器，如果 TTL 脉冲的正向波输入到 pin23，pin24 接地（pin1），则在脉冲持续时间内，放大器的输入为零，从而造成在此时间按 内的 EEG 信号的损失，如图所示： 

图 4 屏蔽下的放大器信号及其造成的 EEG 信号的损失 

解决方案： 

BP 公司的放大器在 TMS 刺激的条件下进行 EEG 采集，无需任何屏蔽设备， 其独有的 BrainAmp MR 放大器可以在任何强度的磁场条件下进行使用，其宽大的动态范围可以在 TMS 强磁场存在的条件下持续记录 EEG 信号，如图所示： 

图 5 BP 公司的放大器可进行连续的 EEG 信号采集 

TMS 诱导的伪差

TMS 刺激诱发的强大磁场导致电极和电极导连线中产生电流（涡流），该磁场衰减时间的长短与电极和头皮之间的阻抗有很大的关系。如果阻抗值小于 5KOhm，伪差持续的时间为 5ms，阻抗值超过 5Kohm，伪差持续的时间将超过 20ms。 

解决方案一：放大器 

BP 公司的 BrainAmpDC 和 BrainAmp MR Plus 放大器的灵敏度和范围可调， 以缩短伪差的持续时间，TMS 与 EEG 结合使用推荐设置：

• A/D 分辨率：0.1 或 0.5 uV（根据刺激强度设置）；
• 采样率：5000Hz/Ch 
• 硬件带宽：DC 至 1000Hz 

由于 TMS 脉冲包括高频成分，采用低采样率或较窄的滤波会增加伪差的持续时间。 

解决方案二：轻薄的电极帽 

BP 公司 TMS 专用电极帽，厚度只有 4mm，TMS 线圈可尽量的接近受试者头颅，即使较低刺激强度亦可诱发受试者出现反应。 

图 7 BP 的 EasyCap 

解决方法三：相位同步 

通过 TTL 脉冲信号与 TMS 刺激器实现同步，以便信号采集后的伪差去除， 例如在 TMS 刺激时记录 5Hz 的正弦波，可以在采集到的数据中清楚地显示 TMS 脉冲伪差，如图所示：

图7 EEG 信号混合 TMS 同步伪差信号 

图8 伪差去除后的正弦信号 

图 9 伪差去除后的正弦信号（局部放大图） 

EEG 导线的干扰信号 

TMS 线圈发出刺激的同时会在 EEG 导连线上诱导出市电的干扰信号（50 或 60Hz），影响 EEG 信号的浏览。采用陷波方式滤除干扰会产生更长时间的伪差信号。

图 10 有市电干扰的 EEG 

图 11 通过陷波滤波后的 EEG 

解决方案一： 英智科技研发生产的 MU 主机不会对 EEG 产生市电干扰。因为主机采用了全金属的材料对内部部件进行屏蔽，而且内部的设计对噪声进行了滤除。 

图 12 YINGCHI MU 系列主机 

解决方式二： 按照特定的方式摆放电极帽上 EEG 导线的位置，可以在 TMS 刺激时记录到干净的EEG 信号。根据电磁感应定律，导连线与磁场方向平行时，导线中的感应电流最小。EasyCap 电极帽的电极线可 360 度旋转，无论刺激部位在何处，导连线均可摆放在最佳的位置。 

充电伪差

大部分商用 TMS 刺激器在充电时会对 EEG 数据造成干扰。D.Veniero 等人报道刺激强度的增加会延长充电伪差的影响时间。而该伪差的形状与生理信号非常相似，会让研究人员误认为是 TEP。见下图： 

图 14 Veniero et al. / Clinical Neurophysiology 

解决方案： 

MU 系列主机不会诱发产生充电伪差。因为在充电回路中的高频噪声波幅很低，而且在线圈的输出端有一个额外的高频率波器。 

EEG 与 TMS 结合是非常有意义的，它为研究人类大脑功能提供了新的领域。 英智科技公司与 Brain Product 公司合作研究，解决了长久依赖 EEG 与 TMS 结合 存在的技术问题，为认知神经学家，临床医生提供了完美的解决方案。 

7. 与 TMS 结合的 EEG 设备 

放大器：BrainAmp DC 或 BrainAmp MR plus 

电极帽：EasyCap TMS 

同步：同步盒 

1.BP 脑电与 TMS 结合 

TMS-EEG 的联合应用是一种研究神经电生理的新型技术手段，该技术利用 EEG 在时间分辨率上的优势，使得研究人员可以追踪到 TMS 诱发的神经元电位瞬态变化。该技术可记录到 TMS 诱发的皮质电位和从刺激部位向远处扩散的电位， 便于观察 TMS 刺激的短期与长期效果。但是如何保证磁刺激与脑电记录完美同步，又保证脑电记录不受干扰，这需要特殊的设备使得两种技术可以完美结合。 

图 14 BP 脑电与 TMS 结合 

同步采集盒

时钟和 TMS 的时钟同步起来，保持脑电和刺激仪的极性相同，保证刺激和脑电数据完全同步。 

BrainAmp DC/MR PLUS 放大器 

TMS 刺激引起能在放大器上产生长时间的高能电磁场，如果放大器没有及时达 到饱和点，TMS 脉冲能引起持续数百毫秒的干扰。BrainAmp DC/MR PLUS 放大 器是特别适合于 EEG 和 rTMS 的联合应用解决方案，放大器带宽可以由软件来控制操作范围，所以 BrainAmp DC/ MR PLUS 能在高能电磁场里面工作。这种设计能保证放大器在磁刺激时候也能记录神经生理数据，而不需停止记录，从而保证没有任何数据丢失。

Brain Products 电极帽 

Easycap 电极帽专门为脑电和磁刺激联合使用设计，电极夹直径小于 4mm，能保证线圈尽量贴近头皮，保证使用刺激能量最小；电极能旋转，可以在刺激前整理电极连线，保证刺激干扰最小

应用方向 

① 经颅磁刺激（TMS）与脑电（EEG）采集系统结合进行 TMS 诱发电位分析是一种有效地揭示脑功能的方法。TMS 诱发电位分析目前使用的主要方法有： 直接波形分析、频谱分析、全局平均场幅度方法（GMFA）、最小范数估计（MNE） 等。TMS 诱发电位的研究正处于蓬勃发展阶段，现阶段主要应用在分析 TMS 对 大脑的影响、探索大脑功能、研究神经连接以及分析神经类药物的作用等方面。 

② TMS 引起的局部大脑区域短暂、虚拟损伤可以给认知神经科学研究提供补 充手段，EEG 高时间分辨率可以让 TMS-EEG 技术可以用来研究大脑功能联通性、 注意的机制、大脑不同频率的振荡关系等问题。 

③ 大脑皮层连接评估：EEG 可以记录到 TMS 刺激在大脑皮层的诱发电位，以 评估皮层的反应和连接； 

④ 交互：研究在一个认知任务中 TMS 在何处，什么时候以及如何影响功能网 络；

⑤ 定位：影响大脑活动以了解皮层节律与知觉，认知或运动过程之间的关系； 

⑥ TMS 的高能量特性和 EEG 的高分辨率特性 -> 技术挑战 

2.CGX 脑电与 TMS 结合 

Yingchi 无线干电极脑电由于准备快速的优势，完美解决了传统采用湿电极 在 TMS 刺激后需要浪费很多时间准备二次采集脑电信号的问题，为 TMS-EEG 联合使用提供全面可靠的脑电数据 

研究实例： 

1）TMS-EEG 技术在抑郁症治疗中的应用 

图 15 A 重度抑郁症患者接受 6 周 rTMS 治疗后的改善者（左）和无改善者（右）在 1 周 rTMS 治疗后测量的 theta cordance 改变量。B 表示改善者和无改善着的 t 检验差值的统计学显著性。 

rTMS 治疗一周后的中央皮层的定量脑电图 Theta cordance 改变量可以预测 重度抑郁症患者接受 6 周 rTMS 治疗的效果。1 

2）TMS-EEG 技术在脑网络连接研究中的应用 

图16

每种 rTMS 条件（即伪刺激，左 TPJ，左 AG，右 AG，左 IPS，右 IPS）下， TMS 刺激之前（1 分钟，前 TMS）和之后（1 分钟，后 TMS）的四种典型的的 静息脑电图微状态的地形图。使用 rTMS 抑制顶叶背侧注意网络（DAN）和默认 模式网络（DMN）关键部位，可观察到微状态 C 的明显变化，而其他三种地形 图则不受影响，提供了 TMS 刺激造成微状态改变的因果证据。由于微状态 C 与 属于扣带回网络（CON）的区域的活动有关，该结果在某种程度支持静息状态 下 CON 和 DAN 和和 DMN 网络之间关联的理论。表明 rTMS 对某一脑区的选择 性抑制可以重组整个脑区的活动，揭示不同大脑网络活动之间的因果关系。2

参考文献：

1 Aimee M Hunter, et al. Change in Quantitative EEG Theta Cordance as a Potential Predictor of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation Clinical Outcome in Major Depressive Disorder[J]. Clin EEG Neurosci, 2018, 49(5):306-315. IF=1.842 

2 Pierpaolo Croce, et al. Offline stimulation of human parietal cortex differently affects resting EEG microstates[J]. Sci Rep, 2018, 8(1):1287. IF=4.370