CN102834141A - 用于确定用于脑深部刺激的设置的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于确定用于脑刺激探头（10）的刺激设置与相应V场之间的关系的方法和控制系统（20）。脑刺激探头（10）包括多个刺激电极（11）。V场是刺激电极（11）周围的脑组织中的电场。该方法包括连续地向n个刺激电极（11）施加测试电流，n是在2与脑刺激探头（10）的刺激电极（11）的数目之间的数，针对n个刺激电极（11）中的一个处的每个测试电流，测量m个刺激电极处的结果得到的激励电压，m是在2与脑刺激探头（10）的刺激电极（11）的数目之间的数，根据刺激设置和所测量的激励电压，导出（m*n）耦合矩阵，该耦合矩阵中的元素（q ， p）反映刺激电极（11）中的两个之间的电阻抗的量，并将该耦合矩阵用于确定刺激设置与相应V场之间的关系。

Description

用于确定用于脑深部刺激的设置的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于确定用于脑刺激探头的刺激设置与相应的V场之间的关系的方法，脑刺激探头包括多个刺激电极，V场是刺激电极周围的脑组织中的电位分布。

本发明还涉及用于确定此类关系的计算机程序产品和控制系统。

背景技术

脑深部刺激（DBS）是涉及医疗设备的植入的一种外科疗法，该医学设备向脑的特定部分发送电脉冲。优选DBS探头包括用于在目标区中的不同位置处提供刺激电脉冲的多个电极。例如，探头可以包括64或128个电极的阵列。所选脑区域中的DBS已提供了用于其他方面的难治性运动和情感性精神障碍的显著治疗益处，诸如慢性疼痛、帕金森症、震颤和肌张力障碍。DBS手术旨在对目标结构进行电刺激，同时使由特定附近神经元结构的刺激所引起的不利副作用最小化。为了使其成为可能，知道特定刺激设置对在脑组织中产生的电场的影响是重要的。同样地，期望知道要施加什么刺激设置以便获得最佳刺激量。

在由McIntyre等人（2004b）在Clin Neurophys 115，589～595中所著的‘Electric field and stimulating influence generated by deep brain stimulation of the subthalamic nucleus’中，公开了一种用于开发直接被丘脑底核的DBS激活的轴突组织的体积的定量理解的方法。该方法使用有限元计算机模型（FEM）来解决具有从人扩散张量磁共振数据（MRI/DTI）导出的组织传导性质的介质中的DBS的效果。

McIntyre等人的方法的缺点是需要MRI/DTI系统以便获得病人的脑的传导性映射图。另外，DIT不直接测量导电性，而是替代地通过假设水扩散（由DTI测量）与导电性之间的理论关系来估计导电性。此外，用于实际扫描次数的DTI的分辨率被限制约为2mm，即高分辨率DBS探头的典型电极节距的4倍。还有一个问题是组织导电性随着时间推移而变，例如由于探头的封装，并且已知方法要求导电性映射图的定期更新。出于该目的执行定期的DTI扫描是不切实际的。

发明内容

鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种用于确定用于如上所述的脑刺激探头的刺激设置的更实用或更准确的方法。

根据本发明的第一方面，通过提供一种用于确定用于脑刺激探头的刺激设置与相应V场之间的关系的方法来达到此目的，脑刺激探头包括多个刺激电极，V场是刺激电极周围的脑组织中的电位分布，该方法包括：连续地向n个刺激电极施加测试电流，n是在2与脑刺激探头的刺激电极的数目之间的数，针对n个刺激电极中的一个处的每个测试电流，在m个刺激电极处测量结果得到的激励电压，m是在2与脑刺激探头的刺激电极的数目之间的数，根据刺激设置和所测量激励电压，导出（m*n）耦合矩阵，耦合矩阵中的元素Zq,p反映刺激电极中的两个之间的电阻抗的量，并将该耦合矩阵用于确定刺激设置与相应V场之间的关系。

通过施加测试电流并测量激励电压来确定接近于电极的脑组织的电气性质，通常为阻抗。耦合矩阵包括所确定的电气性质。耦合矩阵中的元素Zq,p可以例如表示对电极q上的电压Vq的贡献与在电极p中注入的测试电流Ip的比。这些阻抗值Zq,p取决于刺激探头的性质（例如电极尺寸、形状和材料）和周围系统（例如脑组织）。应注意的是还可以测量被刺激电极本身处的激励电压。此类测量将确定（m*n）耦合矩阵中的对角元素并反映被刺激电极与刺激探头的接地电极之间的阻抗。接地电极或返回电极可以由探头的外壳形成。

替换地，可以由导纳矩阵的数学求逆来生成阻抗矩阵Z。可以通过在特定电极上强加非零测试电压、同时在所有其他电极上强加零电压来确定导纳矩阵的元素。然后通过测量产生所述电压所必需的电极中的电流来获得导纳矩阵的元素。

使用存储在耦合矩阵中的信息和关于电场的某些理论知识，确定刺激设置与脑组织中的相应V场之间的关系。可以例如以描述用于单电极的单位电流激励的预期V场的查找表的形式来提供此类关系。基于此关系并采取线性系统（在线性系统中，可以应用从网络理论已知的叠加定理），然后可以计算用于所施加的刺激电流的任何可能组合的预期V场（I），并且反之亦然，可以计算刺激电流的要求组合以获得目标V场。

例如可以使用刺激探头的每个电极处的预期电流I = (I ₁ , I ₂ , I ₃ , …, I _m )或电位V = (V ₁ , V ₂ , V ₃ , …, V _m )的知识来确定脑组织中的结果得到的V场。类似地，可以计算需要什么电流I或电极电位V以在脑组织中获得目标V场。从耦合矩阵可导出电极电位V或电流I与刺激设置之间的关系。

根据本发明的方法的主要优点是其不要求成像设备以便从解剖图像导出电气性质。根据本发明，脑组织的电气性质是从阻抗测量结果导出的，并且不必通过分析解剖图像来间接地确定电气性质。不需要成像装置以便确定刺激设置与相应V场之间的关系的事实使得随着时间的推移而更新该关系变得容易得多。可能例如需要更新关系，因为组织传导性可能由于探头的封装而改变。此外，根据本发明的方法可以用来提供要求刺激设置和/或预期V场的更准确估计。类似于DTI的已知成像技术的分辨率为刺激探头的典型电极节距的约4倍，而根据本发明的方法提供关于接近于每个单独刺激电极的脑组织的电气性质的详细信息。

根据本发明的第二方面，提供了一种控制系统，包括用于向刺激电极施加测试电流的装置、用于测量刺激电极处的激励电压的装置和被布置成用于执行根据本发明的方法的处理器。

通过参考下文描述的实施例，本发明的这些及其他方面将是显而易见的并由此进行阐述。

附图说明

在所述附图中：

图1示意性地示出具有多个刺激电极的刺激探头，

图2示出根据本发明的控制系统的方框图，

图3示出用于确定用于脑刺激探头的刺激设置与相应V场之间的关系的方法的流程图，

图4示出确定预期V场的方法的流程图，以及

图5示出确定所要求的刺激设置以便获得目标V场的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出具有多个刺激电极11的脑刺激探头10。应注意的是这仅仅是示意图，并且所使用的实际刺激探头10可以是完全不同的。对于在根据本发明的方法和系统中使用的刺激探头10而言重要的是其具有分布在探头表面的至少一部分上的多个刺激电极11。例如，使用64或128个电极的阵列。

图2示意性地示出用于控制图1的脑刺激探头10的控制系统20。刺激探头10经由脉冲发生器21被耦合到处理器23。处理器23确定并控制要被施加于刺激电极11的刺激设置以便使得能够实现刺激探头10的适当运行。脉冲发生器21依照来自处理器23的指令向单独刺激电极11提供电信号，例如电流。处理器23还能够从刺激电极11接收数据和信号以便获得关于刺激探头10的运行及其与环境的交互的信息。提供了阻抗记录装置或伏特计22，其用于邻近于或更加远离接收电流的电极11来测量电极11处的激励电压。处理器23还被耦合到存储器24以便存储例如病人数据和用于控制根据本发明的系统20和方法的软件。可以将控制系统20耦合到局域或广域网（例如因特网）以便能够与其他系统交换或共享数据。

在实施例中，用以生成刺激的独立电流源的数目（例如4个）小于电极的数目（例如64个）。可以将单个电流源的输出同时地分布到多个电极。公共源的电流被根据单独电极组织阻抗和到单独部位的引线阻抗分布在电极上。可以将刺激设置定义为与连接设置组合的电流发生器电流值，即脉冲发生器被连接到哪些电极。知道到电流源的电极的刺激设置并使用耦合矩阵，可以计算刺激电流I（在所有电极上）。

另外，可以将显示器26耦合到处理器23以便显示可以帮助用户配置或使用系统20的信息。系统20可以另外包括用户输入装置，诸如鼠标25或其他类型的指点设备和/或键盘。还可以将显示器26用于提供图形用户界面以便使得用户能够配置和控制系统20。出于该目的，显示器26还可能具有触摸屏功能。

图3示出用于确定用于脑刺激探头10的刺激设置与相应V场之间的关系的方法的流程图。该方法从激励步骤31开始，其中，将脉冲发生器21用于用已知测试电流I _test 连续地激励每个刺激电极11或所选刺激电极11的子群。当向刺激电极11中的一个施加测试脉冲时，阻抗记录装置或伏特计22在响应记录步骤32中测量所述电极11处的激励电压和其他刺激电极11处的响应电压。可以将该响应记录为由于电极p处的激励而引起的刺激电极q处的电极电压Vq,p或者作为测量阻抗值Zq,p。可以针对所有刺激电极11或针对m个所选的例如相邻刺激电极11执行此测量。在激励第一刺激电极11并测量m个电极11上的响应之后，可以测试后续刺激电极11。当n个电极被激励并在m个电极上记录电压时，执行前两个步骤31、32至少n次。可选地，测试某些或所有刺激电极两次或更多次，可能用不同的测试电流I _test 。响应记录步骤32的结果是探头10和探头10周围的组织的组合电气性质的m*n个测量结果。在矩阵生成步骤33中，可以处理此信息以形成m*n耦合矩阵35。

实际上，被测试电极的数目n将常常等于记录电极的数目m。此耦合矩阵35捕捉非均质各向异性组织传导性的效果，即其元素反映各种部位之间的电组织阻抗的量。例如，耦合矩阵35中的条目（q，p）可以保持电极q上的电压与被注入到电极p中的电流的比。在优选实施例中，还测量被刺激电极本身处的激励电压。此类测量将确定（m*n）耦合矩阵中的对角元素并反映被刺激电极与刺激探头的接地电极之间的阻抗。接地电极或返回电极可以由探头的外壳形成。

用耦合矩阵35，可以响应于刺激电流I的特定图案而确定每个电极11处的预期电极电压V的图案。同样地，可以确定获得电极电压V的期望图案所需的刺激电流I的要求图案。

为了探头10的适当操作，知道什么电极电位V是由什么刺激电流I引起的且反之亦然可能还不够。在图3的步骤34中，使用耦合矩阵35来计算用于刺激电流的给定图案的脑组织中的预期电位分布（V场）或计算要求的刺激图案以获得期望V场。可以例如使用有限元建模（FEM）或其他数值技术来完成根据单独电极电位V或电流I来计算V场。可以根据均质组织传导性的假设来计算V场，但是优选地用可从耦合矩阵35获得的测量数据来修正。单独电极电位V或电流I与V场之间的关系36、37还取决于脑组织的组成。耦合矩阵35包括关于此组成的信息，并且因此可以用来提供V场与电极电位V或电流I之间的关系的更准确确定。

图4和5示出了用于实现图3中的步骤34的方法的示例性流程图。在这些方法中，使用耦合矩阵35和关于单独电极电流I与V场之间的关系的知识来确定要求的刺激设置或预期V场。图4示出了确定预期V场的方法而图5示出了确定用于获得目标V场的要求的刺激设置的方法。

在图4中，示出了如何针对特定的一组刺激设置来计算预期V场。首先，提供刺激设置（步骤41），例如以用于n个电极11到脉冲发生器的电耦合的连接设置和脉冲发生器电流的形式。然后，将耦合矩阵35用于确定（步骤42）电极11处的结果得到的电流I _1,  I _2,…_,  I _q ,…_,  I _m 。当已知电极11处的电极电流I _1,  I _2,…_,  I _q ,…_,  I _m 时，将电极电流I = I _1,  I _2,…_,  I _q ,…_,  I _m 和V场之间的关系36用于计算（步骤43）结果得到的V场。应注意的是耦合矩阵35是使用如上文参考图3所述的测量结果所获得的。至少要确定用于被植入探头10的耦合矩阵一次。然而，优选地周期性地更新耦合矩阵35以便考虑到例如可能随着时间的推移而发生的脑组织中的变化。可以根据均质组织传导性的假设计算电极电流I与V场之间的关系36一次，但是优选地用可从耦合矩阵35获得的测量数据来修正。可以连同耦合矩阵35一起更新关系36。

在图5中，示出了如何确定获得目标V场所需的刺激设置。首先，提供目标V场的描述（步骤51），例如以脑中的位置目标结构的一组坐标的形式，该目标结构将被刺激。替换地（或另外），提供描述应被避免刺激的神经元结构的位置的坐标。然后，使用V场与单独电极电流I之间的关系37来计算（步骤52）获得期望V场所需的电极电流I。使用耦合矩阵35，然后确定用于获得这些要求的电极电流I的刺激设置（步骤53）。

应认识到本发明还扩展至计算机程序，特别是适合于将本发明付诸实践的载体上或载体中的计算机程序。该程序可以采取源代码、目标代码、代码中间源和诸如部分编译形式的目标代码的形式，或者采取适合于在根据本发明的方法的实施方式中使用的任何其他形式。还应认识到此类程序可以具有许多不同的架构设计。例如，可以将实现根据本发明的方法或系统的功能的程序代码再分成一个或多个子程序。在这些子程序之间分布功能的许多不同方式对于技术人员来说将是显而易见的。可以将子程序一起存储在一个可执行文件中以形成自包含程序。此类可执行文件可以包括计算机可执行指令，例如处理器指令和/或解释程序指令（例如Java解释程序指令）。替换地，可以将一个或多个或所有子程序存储在至少一个外部库文件中并静态地或动态地（例如在运行时间）与主程序链接。主程序包含对子程序中的至少一个的至少一个调用。并且，子程序可以包括相互的函数调用。关于计算机程序产品的实施例包括对应于阐述的方法中的至少一个的每个处理步骤的计算机可执行指令。可以将这些指令再分成子程序和/或存储在可以被静态地或动态地链接的一个或多个文件中。关于计算机程序产品的另一实施例包括对应于阐述的系统和/或产品中的至少一个的每个装置的计算机可执行指令。可以将这些指令再分成子程序和/或存储在可以被静态地或动态地链接的一个或多个文件中。

计算机程序的载体可以是能够承载程序的任何实体或设备。例如，该载体可以包括存储介质，诸如ROM，例如CD-ROM或半导体ROM，或者磁记录介质，例如软盘或硬盘。此外，载体可以是诸如电或光信号的可传送载体，其可以经由电或光缆或用无线电或其他手段来传送。当在此类信号中体现程序时，载体可以由此类电缆或其他设备或装置组成。替换地，载体可以是其中嵌入了程序的集成电路，该集成电路适合于执行相关方法或在相关方法的执行中使用。

应注意的是上述实施例举例说明而不是限制本发明，并且本领域的技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下将能够设计许多替换实施例。在权利要求中，不应将放置在括号之间的任何附图标记理解为限制权利要求。动词“包括”或其动词变化的使用不排除除在权利要求中所述的那些之外的元件或步骤的存在。在元件前面的冠词“一”或“一个”不排除多个此类元件的存在。可以借助于包括多个不同元件的硬件并借助于适当地编程的计算机来实现本发明。在枚举多个装置的设备权利要求中，可以用硬件的同一个项目来体现多个这些装置。在相互不同的从属权利要求中叙述了某些措施的事实不指示不能有利地利用这些措施的组合。

Claims (6)

1.一种用于确定用于脑刺激探头（10）的刺激设置与相应V场之间的关系的方法，脑刺激探头（10）包括多个刺激电极（11），V场是刺激电极（11）周围的脑组织中的电位分布，该方法包括：

- 连续地向n个刺激电极（11）施加测试电流，n是在2与脑刺激探头（10）的刺激电极（11）的数目之间的数，

- 针对n个刺激电极（11）中的一个处的每个测试电流，在m个刺激电极处测量结果得到的激励电压，m是在2与脑刺激探头（10）的刺激电极（11）的数目之间的数，

- 根据刺激设置和所测量的激励电压，导出（m*n）耦合矩阵，耦合矩阵中的元素Zq,p反映刺激电极（11）中的两个之间的电阻抗的量，以及

- 将该耦合矩阵用于确定刺激设置与相应V场之间的关系。

2.如权利要求1所述的用于确定用于脑刺激探头（10）的刺激设置与相应V场之间的关系的方法，该方法还包括：

- 在特定电极（11）上强加非零测试电压，同时在所有其他电极（11）上强加零电压，

- 测量产生所述强加电压所需的电极（11）中的结果得到的电流，

- 确定导纳矩阵，该导纳矩阵的元素反映测量的结果得到的电流，

- 通过导纳矩阵的数学求逆来生成耦合矩阵。

3.如权利要求1所述的用于确定用于脑刺激探头（10）的刺激设置与相应V场之间的关系的方法，该方法还包括：

- 接收预定的一组刺激设置，

- 将刺激设置与相应V场之间的关系用于确定对应于所述预定的一组刺激设置的V场。

4.如权利要求1所述的用于确定用于脑刺激探头（10）的刺激设置与相应V场之间的关系的方法，该方法还包括：

- 接收目标V场的描述，

- 将刺激设置与相应V场之间的关系用于确定一组要求的刺激设置以便获得目标V场。

5.一种用于确定用于脑刺激探头（10）的刺激设置与相应V场之间的关系的计算机程序产品，该程序可用于促使处理器执行如权利要求1所述的方法。

6.一种用于确定用于脑刺激探头（10）的刺激设置与相应V场之间的关系的控制系统（20），该脑刺激探头（10）包括多个刺激电极（11），所述V场是刺激电极（11）周围的脑组织中的电位分布，该控制系统（20）包括：

- 用于向刺激电极施加测试电流的装置（21），

- 用于测量源于施加的测试电流的激励电压的装置（22），以及

- 处理器（23），其被布置成用于

     - 指示用于施加测试电流的装置（21）向n个刺激电极（11）连续地施加测试电流，n是在2与脑刺激探头（10）的刺激电极（11）的数目之间的数，

     - 指示用于测量激励电压的装置（22）在m个刺激电极（11）处测量由每个测试电流引起的激励电压，m是在2与脑刺激探头（10）的刺激电极（11）的数目之间的数，

     - 根据刺激设置和所测量的激励电压，导出（m*n）耦合矩阵，耦合矩阵中的元素Zq,p反映刺激电极（11）中的两个之间的电阻抗的量，以及

- 将该耦合矩阵用于确定刺激设置与相应V场之间的关系。

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