CN104173044A - 一种用于癫痫治疗的闭环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于癫痫治疗的闭环系统，包括脑电信号放大模块、控制单元、刺激模块、视频模块；所述脑电信号放大模块采集被测对象的脑电信号，经过控制单元判断脑电信号状态，控制刺激模块产生脉冲电流刺激被测对象，抑制癫痫发作，从而实现闭环调控；本发明具有实时通过放大器获得高采样率多通道数据并进行实时绘制、通过脑电信号进行癫痫预警、预警后自动通过指定参数的电刺激进行癫痫抑制等功能；本发明为难治性癫痫患者提供一种闭环的电刺激治疗系统，有效降低癫痫发作次数，减轻癫痫发作强度，提高患者的生活质量。

Description

一种用于癫痫治疗的闭环系统

技术领域

本发明属于临床医学和神经系统技术领域，尤其涉及一种用于癫痫治疗的闭环系统。

背景技术

癫痫是一种常见的、多发的慢性神经系统疾病，可引起运动、感觉、意识和行为等功能障碍，严重影响患者的工作和生活，对家庭和社会带来了极大的精神和经济负担。我国有近1000万癫痫患者，其中20%为难治性癫痫。在难治性癫痫中有一半可进行外科治疗，而对于不适合手术或者不能接受手术治疗的药物难治性癫痫患者，通过电刺激治疗可能得到控制和减轻发作的效果。

在众多的电刺激方法中，一种闭环的反应性电刺激技术正在成为国内外癫痫诊疗研究的热点，该方法提供实时的脑电检测癫痫预测，对可能的癫痫发作脑区进行电刺激实现癫痫抑制。相比手术节除，该方法具有一些潜在的优势[Osorio等]：（1）可逆性：大部分副作用可以通过终止治疗或者改变刺激参数而加以控制；（2）可调节性：可以根据患者的需要在一个很大的范围内加以调整改变；（3）多个部位可以被一个单一的靶点所影响；（4）无法安全切除的病灶部位也可以被刺激。尽管反应性电刺激存在很多优点，以下问题依然尚未解决：电刺激治疗癫痫的作用机制仍不清楚；在各种不同的动物实验和临床研究中治疗效果很不一致；癫痫预警、最佳刺激时机、刺激参数和刺激部位等重要问题尚不明确。

目前，美国Neuropace公司生产的“反应性电刺激治疗癫痫系统”(美国专利编号：20110004268)在售价约为3万美元，预计该系统在中国售价20万人民币左右，造成一批癫痫病人因经济原因而放弃反应性电刺激这一安全有效的疗法。如果每年中国有1000位患者接受反应性电刺激治疗，将花费2亿人民币。本发明用于癫痫治疗的闭环系统，探索快速有效的癫痫预警方法，发展反应性电刺激癫痫抑制技术，有利于提高国人健康水平，促进卫生事业的发展，并有助于摆脱高端仪器设备长期依赖进口的局面，具有重大的社会效益及经济价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于癫痫治疗的闭环系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于癫痫治疗的闭环系统，包括：脑电信号放大模块、控制单元、刺激模块、视频模块；所述脑电信号放大模块采集被测对象的脑电信号，经过控制单元判断脑电信号状态，控制刺激模块产生脉冲电流刺激被测对象；

脑电信号放大模块：多通道并行采集、放大癫痫脑电Electrocorticogram(ECoG) 信号；

视频模块：对被测对象进行视频采集，记录癫痫发作形式；

控制单元：包括显示波形模块、参数设置模块、癫痫预警模块和刺激控制模块；对脑电信号放大模块、视频模块和刺激模块进行控制；

显示波形模块：包括脑电信号放大模块数据读取，波形绘制，数据记录三个主要部分，具体为：首先从脑电信号放大模块调用放大器本身的数据读取API，实时地将数据缓存到一块内存空间中，即维护一块缓冲区，每隔40ms按照设定的参数顺序对缓冲区的数据进行绘制，所述参数包括逻辑通道数、逻辑通道名称、逻辑通道运算方法、每页显示通道数、绘制灵敏度、绘制时间基准、滤波参数；所述滤波参数包括高通、低通和带阻三种模式；最后从缓冲区里顺序取出400ms的数据以二进制文件格式保存，对于参数的设置以二进制文件记录到文件头当中，视频模块同步采集的视频数据存储为.avi格式的视频文件；

参数设置模块：对软硬件接口参数和界面显示参数进行设置，所述软硬件接口参数包括：脑电信号放大模块参数、刺激模块参数、视频模块参数，所述界面显示参数包括：波形显示参数、滤波参数、标尺参数；

癫痫预警模块：通过对数据的实时解析，判断某个时刻是否开始癫痫发作，具体为：应用脑电信号波幅的平方的累加表示信号的能量，将某个时间窗内的能量均值作为该时间窗的特征值，当上述特征值超过设定的阈值时，则认为癫痫发作，进行报警以及抑制刺激；

刺激控制模块：通过串口发送命令，与刺激模块通信，包括对刺激模块的控制、刺激模块参数的设置、刺激模块命令收发；

刺激模块：输出恒定电流，对被测对象进行电流刺激。

本发明的有益效果是，本发明具有实时通过放大器获得高采样率多通道数据并进行实时绘制、通过脑电信号进行癫痫预警、预警后自动通过指定参数的电刺激进行癫痫抑制等功能。本发明为难治性癫痫患者提供一种闭环的电刺激治疗系统，有效降低癫痫发作次数，减轻癫痫发作强度，提高患者的生活质量。

附图说明

图1为本发明用于癫痫治疗的闭环系统的原理框图；

图2为本发明控制单元显示波形功能划分；

图3为本发明控制单元参数设置功能细化；

图4为本发明控制单元癫痫预警功能细化；

图5为本发明控制单元刺激功能细化；

图6为本发明刺激模块的恒定电流发生电路图；

图7为本发明刺激模块的模拟开关电路图；

图8为本发明刺激模块的主控芯片电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种用于癫痫治疗的闭环系统，在癫痫模型上进行测试，包括脑电信号放大模块、控制单元、刺激模块、视频模块；所述脑电信号放大模块采集被测对象的脑电信号，经过控制单元判断脑电信号状态，控制刺激模块产生脉冲电流刺激被测对象。

脑电信号放大模块：多通道并行采集、放大癫痫脑电ECoG 信号。

视频模块：对被测对象进行视频采集，记录癫痫发作形式。

控制单元： 控制单元的功能需求被分为4个模块：显示波形模块、参数设置模块、癫痫预警模块和刺激控制模块，其中关键模块在于波形的显示，显示波形模块一方面从脑电信号放大模块中读取数据包并进行解析，另一方面负责按照既定要求进行绘制，此外，还需要进行数据文件的存储。参数设置模块，包括脑电信号放大模块、摄像头、刺激器等外部设备的参数设置，同时包括显示参数例如通道名称、每页通道数以及绘制灵敏度。为了方便用户能够将所需要的参数记录下来以便下次使用，这里允许通过配置文件存取的方式，进行参数的读取和保存。癫痫预警模块通过对数据的实时解析，判断每个时刻是否开始癫痫发作。刺激控制模块，用于对刺激模块的控制。现对各模块进行具体说明：

显示波形模块：包括脑电信号放大模块数据读取，波形绘制，数据记录三个主要部分；对于每一次数据读取和绘制，数据源初始化只进行一次，只要数据源连接，并且用户未停止，系统将循环进行数据包的读取、绘制、保存操作，如图2所示，波形绘制的主要工作流程为：维护一个缓冲区，每隔40ms按照设定的参数顺序对缓冲区的数据进行绘制，其需要遵照的参数包括逻辑通道数、逻辑通道名称、逻辑通道运算方法、每页显示通道数、绘制灵敏度、绘制时间基准、滤波参数（高通、低通、带阻）等。数据记录将波形数据、设置数据和视频等数据记录到文件中。波形绘制完成后，从缓冲区里顺序取出400ms的数据以二进制文件格式保存，视频文件单独记录，格式为.avi，与数据文件同步，设置数据以文本文件统一记录。

参数设置模块：如图3所示，系统参数又分为软硬件接口参数（包括放大器参数、刺激器参数、摄像头参数），以及界面显示参数（包括波形显示参数、滤波参数、标尺参数等）两大类。

癫痫预警模块：通过对数据的实时解析，判断某个时刻是否开始癫痫发作，具体为：应用脑电信号波幅的平方的累加表示信号的能量，假设                                                表示脑电信号第k个点的波幅，j表示第j个时间窗，则在此可以定义，该时间窗内脑电信号的平均能量为：

   （1）

其中 、 分别为第j个时间窗的起始时间点和结束时间点，本发明时间窗长度为2s。

将某个时间窗内的能量均值作为该时间窗的特征值，当上述特征值超过设定的阈值时，则认为癫痫发作，进行报警以及抑制刺激，如图4所示。

刺激控制模块：通过串口发送命令，与刺激模块通信，包括对刺激模块的控制、刺激模块参数的设置、刺激模块命令收发；对于癫痫抑制电刺激，一般采用一个或几个固定参数刺激，而参数具体设置因病人而异。因此，刺激参数应当随配置文件进行存取，并且在文件中进行记录。每当给以一个刺激，面板上应当以显式的标签进行标示，同时记录刺激时间记录在文件当中，以备分析，如图5所示。

刺激模块：输出恒定电流，对被测对象进行电流刺激。所述刺激模块以精密仪表放大器AD620和运算放大器opa2140为核心组成恒定电流发生电路，如图6所示；输出电流由模拟开关DG409转化为电脉冲，如图7所示；主控芯片C8051F005与PC机进行通信，设定脉冲的参数，如图8所示。

Claims (1)

1.一种用于癫痫治疗的闭环系统，其特征在于，包括：脑电信号放大模块、控制单元、刺激模块、视频模块；所述脑电信号放大模块采集被测对象的脑电信号，经过控制单元判断脑电信号状态，控制刺激模块产生脉冲电流刺激被测对象；

脑电信号放大模块：多通道并行采集、放大癫痫脑电ECoG 信号；

视频模块：对被测对象进行视频采集，记录癫痫发作形式；

控制单元：包括显示波形模块、参数设置模块、癫痫预警模块和刺激控制模块；对脑电信号放大模块、视频模块和刺激模块进行控制； 

显示波形模块：包括脑电信号放大模块数据读取，波形绘制，数据记录三个主要部分，具体为：首先从脑电信号放大模块调用放大器本身的数据读取API，实时地将数据缓存到一块内存空间中，即维护一块缓冲区，每隔40ms按照设定的参数顺序对缓冲区的数据进行绘制，所述参数包括逻辑通道数、逻辑通道名称、逻辑通道运算方法、每页显示通道数、绘制灵敏度、绘制时间基准、滤波参数；所述滤波参数包括高通、低通和带阻三种模式；最后从缓冲区里顺序取出400ms的数据以二进制文件格式保存，对于参数的设置以二进制文件记录到文件头当中，视频模块同步采集的视频数据存储为.avi格式的视频文件；

参数设置模块：对软硬件接口参数和界面显示参数进行设置，所述软硬件接口参数包括：脑电信号放大模块参数、刺激模块参数、视频模块参数，所述界面显示参数包括：波形显示参数、滤波参数、标尺参数；

癫痫预警模块：通过对数据的实时解析，判断某个时刻是否开始癫痫发作，具体为：应用脑电信号波幅的平方的累加表示信号的能量，将某个时间窗内的能量均值作为该时间窗的特征值，当上述特征值超过设定的阈值时，则认为癫痫发作，进行报警以及抑制刺激；

刺激控制模块：通过串口发送命令，与刺激模块通信，包括对刺激模块的控制、刺激模块参数的设置、刺激模块命令收发；

刺激模块：输出恒定电流，对被测对象进行电流刺激。