CN104225790B - 闭环神经刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可以采集病人生理信号，实时调整脉冲刺激参数，并且可以通过上位机实时显示数据、存储数据、设计优化算法以及更新嵌入式程序的闭环脑深部刺激系统，属于植入式医疗仪器技术领域。本发明提供两种闭环工作模式，一种是植入式神经刺激器自身进行嵌入式算法处理数据形成闭环控制，另一种是植入式神经刺激器将采集的数据通过无线通信模块传至上位机，上位机算法处理后再通过无线通信模块控制刺激参数，形成闭环。本发明可以用于神经系统疾病的闭环电刺激治疗，也可以用于闭环刺激方法的临床研究或者动物研究，为闭环刺激方法的研究提供了一个良好平台。

Description

闭环神经刺激系统

技术领域

本发明涉及一种植入式医疗仪器，特别是一种植入式闭环神经刺激系统。

背景技术

脑深部电刺激疗法治疗帕金森病、癫痫等神经系统疾病的有效性一方面依赖于电极定位的准确性，另一方面，合适的刺激参数也是取得良好疗效的重要因素。目前临床上一般采用“开环”刺激模式，即电刺激治疗参数是由医生根据临床经验进行手动调节，直至下一次病人随访治疗参数一般保持不变的。在这种“开环”刺激模式下，病人的程控周期较长，参数调整不能及时响应病情的变化，导致不能发挥出脑深部刺激疗法的最佳疗效。另外，由于脑深部电刺激疗法的治疗机理尚未明确，没有明确的研究表明持续的电刺激对病人绝对安全，并且有研究表明持续的电刺激可能会给病人带来认知等方面的影响，因此“闭环”刺激模式是必然的发展趋势。“闭环”刺激的特点在于系统能根据病人状态自动地调整刺激参数，达到减小治疗参数调整的延迟，以及针对病人提供个性化治疗的目的。这里的“病人状态”是一个宽泛的概念，包括癫痫发作与发作间期，病人觉醒与睡眠(对应DBS“ON”与“OFF”)，帕金森病病症体现与否等例子。对于闭环刺激方法的研究已经持续了好多年，然而很多研究都是基于离线数据的数学分析，繁重的数据处理算法并不适合用于嵌入式程序，使得真正的闭环刺激离临床应用还比较遥远。另外，闭环系统设计的一个重大挑战在于闭环反馈对象以及效应器仍在探索中，不管是临床应用还是动物实验研究中，植入闭环神经刺激器之后，可能需要重新选取有效的反馈因子，以及更改相应的数据处理算法，然而现有技术很多都是固定的反馈控制方法，不能灵活地更新算法或者针对具体病人提供个性化的闭环反馈控制方法。

发明内容

有鉴于现有技术上的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种集成电刺激、数据采集、数据处理、无线传输、无线充电以及上位机数据处理等功能的闭环神经刺激系统。该闭环神经刺激系统既可以提供双通道的恒压或恒流模式脉冲刺激信号，又可以通过传感器或者电极获取病人的生理信号，经过简化的嵌入式算法处理后，根据处理结果及时调整脉冲刺激参数或者开启/关闭电刺激治疗，此为本发明的第一种闭环工作模式。该闭环神经刺激系统还具有无线数据传输功能，可以将采集的数据传至上位机实时显示、存储，以及进行闭环算法运算，再通过无线通信装置将新的电刺激脉冲参数实时传给植入式神经刺激器，形成闭环控制，这是本发明的第二种闭环工作模式。一般地，可以通过上位机将存储的高采样率采集数据进行前期的数据分析，并针对特定的病人数据设计闭环算法和优化算法关键参数，再通过第二种闭环实施方法验证闭环刺激和闭环算法的可行性，如果反馈因子和算法可行，则可将算法简化成嵌入式算法，通过无线通信模块对植入式神经刺激器的嵌入式程序进行更新，以第一种闭环工作模式进行长期的个性化的闭环刺激治疗。

本发明通过以下的技术方案得以实现。

一种闭环神经刺激系统，包括植入式闭环神经刺激器、与所述植入式闭环神经刺激器相连的电极和传感器、与所述植入式闭环神经刺激器进行双向无线通信的无线通信装置、与所述无线通信装置相连的上位机，其特征在于：

所述植入式闭环神经刺激器具有第一闭环工作模式和第二闭环工作模式；其中，

在第一闭环工作模式中，所述植入式闭环神经刺激器能够采集任意电极触点组合的电信号和/或传感器获取的信号，并将采集的结果通过嵌入式算法运算后实时自动调整输出电脉冲刺激参数；

在第二闭环工作模式中，所述植入式闭环神经刺激器能够采集任意电极触点组合的电信号和/或传感器获取的信号，并将采集的结果通过无线通信模块传输给上位机；所述上位机能够对信号的数据进行闭环算法运算，通过无线通信装置实时控制所述植入式闭环神经刺激器的电脉冲刺激参数；所述闭环算法包括将可将采集数据关联到疾病状态的分类器算法，如支持向量机、人工神经网络、集成学习等，或者是用于癫痫发作检测的半波算法、面积算法、线长算法、GOFA算法等，所述闭环算法还包括将数据分析结果转换成刺激参数调整量的控制算法；

优选地，所述闭环神经刺激装置包括：脑电或传感器数据采集模块，用于采集病人脑电或者传感器信号；嵌入式算法，用于对采集信号进行分析处理；无线数据传输模块，用于将所述脑电或传感器数据采集模块的采集数据实时传输至外部，以及接收外部的指令；脉冲输出控制模块，用于根据所述嵌入式算法处理模块分析结果或上位机算法分析结果实时地、自动地调整脉冲参数。

优选地，所述脑电数据采集模块可以在电刺激治疗的同时进行同一电极上的脑电数据采集，对电刺激治疗不造成影响，并且所述脑电数据采集模块可以采集任意两两电极触点(包括刺激器外壳)组合的差分脑电信号；

优选地，所述电极为两用电极，可以实现刺激和记录两个功能；

优选地，所述传感器为生物化学传感器，或三轴加速度传感器；

优选地，所述反馈因子可以为电刺激脉冲诱发的局部场电位响应，或局部场电位特定脑电频段(如，beta频段)的频谱信息；

优选地，所述嵌入式算法包括将可将采集数据关联到疾病状态的分类器算法，如支持向量机、人工神经网络、集成学习等，或者是用于癫痫发作检测的半波算法、面积算法、线长算法、GOFA算法等，所述嵌入式算法还包括将数据分析结果转换成刺激参数调整量的控制算法；

优选地，所述无线通信装置用于接收所述植入式闭环神经刺激装置采集的数据以及向所述植入式闭环神经刺激装置传输数据；

优选地，所述上位机包含数据曲线实时显示、数据存储、数据算法处理功能，并能将处理结果通过无线通信装置反馈给所述植入式闭环神经刺激装置，以实时调整脉冲参数，所述上位机还包含提供运行数据给所述闭环神经刺激装置的功能。

优选地，所述运行数据包括采集模块的开启与关闭指令，还包括需无线更新的嵌入式算法及程序。

优选地，所述闭环神经刺激装置包括植入式脑深部电刺激器、植入式脊髓电刺激器、植入式脑皮层电刺激系统或植入式迷走神经电刺激器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)提供两种闭环工作模式，一种是植入式神经刺激器自身进行嵌入式算法处理数据形成闭环控制，另一种是植入式神经刺激器将采集的数据通过无线通信模块传至上位机，上位机算法处理后再通过无线通信模块控制刺激参数，形成闭环。

(2)本发明不仅可以采集生理电信号，还可以采集其他传感器获取的化学信号等其他信号，本发明可以用于神经系统疾病的闭环电刺激治疗，也可以用于闭环刺激方法的临床研究或者动物研究，为闭环刺激方法的研究提供了一个良好平台。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的应用示意图。

图2是本发明的一种实施实例的电路原理框图。

图3是本发明的一种功能流程图。

图4是本发明的一种控制流程图及数据包组成格式。

图5是本发明的一种时序控制示意图。

具体实施方式

图1所示的本发明应用于双侧脑深部刺激示意图中，本发明的植入式神经刺激器1通过延长线2、电极3给治疗靶点施加电脉冲刺激，以达到对神经类疾病的治疗作用。植入式神经刺激器1可以采集任意两个电极触点间的电信号，或者传感器6获得的其他形式的信号，例如神经递质传感器获取的神经递质浓度。植入式神经刺激器1可以通过其内部无线数据传输模块将采集的数据无线发送给外部无线通信装置4，无线通信装置4将收到的数据通过串口或者USB口传给上位机5。上位机5可以实时显示数据曲线，以及后台存储数据。医生或者研究人员可以通过上位机程序进行前期的数据训练，算法设计和优化。

本发明有两种闭环工作模式：第一种闭环工作模式如图1中带箭头的粗实线所示，植入式神经刺激器1的嵌入式算法对采集的信号进行数据处理，实时地、自动地调整电脉冲刺激参数；第二种闭环工作模式如图1中带箭头的粗虚线所示，植入式神经刺激器1通过无线通信装置4将采集的信号传给上位机5，进行算法数据处理后再通过无线通信装置4将新的电刺激脉冲参数实时传给植入式神经刺激器1，形成闭环控制。

如图2所示，在本发明的一种实施实例中，使用充电电池作为电源的植入式神经刺激器1的硬件电路组成主要包括微控制器20、脉冲输出电路11、A/D采样电路7、信号发射电路12、信号接收电路13、充电电路54等；外部装置的硬件组成主要包括信号发射电路16、信号接收电路17、串口电平转换电路18、以及运行数据处理程序的上位机19。其中：

微控制器20中集成了作为程序存储器用的大容量Flash存储器，支持自编程操作。在上位机进行了优化算法或者设计新算法等操作并进行了闭环刺激验证后，可以通过无线通信装置4给植入式神经刺激器1无线更新嵌入式程序。

脉冲输出电路11用于产生特定参数(脉冲幅度、宽度、频率、持续时间等)的恒压或者恒流两种模式的电脉冲信号，输出给由模拟开关组10选择的一路或者两路输出的电极触点组合55，实现对治疗靶点的电刺激治疗作用。

A/D采样电路7用于采集来自电极触点组合55、经滤波放大电路9滤波、放大后的电信号，或者传感器采集的信号，如神经递质传感器获取的神经递质浓度。

植入式神经刺激器1的无线通信模块由微控制器20控制，包括信号发射电路12、信号接收电路13以及天线14组成。信号发射与接收共用同一个天线，通信采用2-GFSK调制方式，载波频率为403MHz，数据波特率最高可达500kBaud。植入式神经刺激器1的无线通信模块可以与外部装置的由天线15、信号发射电路16、信号接收电路17组成的无线通信模块进行双向无线通信。

串口电平转换电路18用于将收到的信号转换成上位机所需电平的信号，或者将上位机发出的信号转换电平后传给信号发射电路16。

充电电路54受微控制器20控制，用于接收外部充电器的能量，给植入式神经刺激器1的可充电锂电池充电。

图3是本发明的功能流程图。由于病人具有差异性，并且闭环刺激模式大多数还在研究阶段，闭环反馈因子和效应器还处于探索中，因此本发明提供了两种闭环工作模式，并且反馈对象34不仅可以是电极采集的电信号形式，也可以是其他传感器21获得的信号，如神经递质传感器获取的神经递质浓度信号。第一种工作模式仅在植入式神经刺激器1内部形成闭环，数据采集模块27以相对较低的采样率进行信号采集；第二种工作模式的闭环回路包括外部上位机处理部分，植入式神经刺激器1与外部上位机的信号传输通过双方的无线通信模块实现。在第二种工作模式中，数据采集模块27可以以高采样率进行信号采集，无线通信模块26将信号通过外部无线通信模块29传至上位机，上位机可以完成数据的实时显示31以及后台的数据存储31。具体操作时，一种应用实例为，先通过上位机对采集的信号进行前期的离线数据训练、算法设计优化，然后进行实时的闭环算法验证，即上位机对收到的数据实时运行算法30，计算得到新的治疗参数通过无线通信模块29、26传递给嵌入式程序，以达到实时控制脉冲输出控制模块23的目的。如果闭环算法效果可行，则可以将算法简化成嵌入式算法28，通过无线通信模块29、26对植入式神经刺激器1的嵌入式程序进行无限更新。如果反馈因子或算法不可行，则可以寻求新的反馈因子或者优化或设计算法32，进行新的闭环验证。

图4为本发明第二种闭环工作模式中植入式神经刺激器1的一种控制流程图，及相关的数据包组成格式。为了降低植入式神经刺激器1的待机50功耗，待机期间采用定时监听35的方法，t1时间休眠之后t2时间监听外部唤醒信号，如此循环，t1期间植入式神经刺激器1的无线通信模块是关闭的，t2期间植入式神经刺激器1只要收到外部唤醒信号，则被唤醒，外部唤醒信号37是一串持续t6时间的重复信号序列，每个唤醒信号所用时间为t3，唤醒信号间隔t4，37的各个时间需满足条件：t5≤t2，t6≥(t2+t1)。植入式神经刺激器1收到唤醒信号之后对外部发出应答38，外部则发来记录电极触点选择、采集等指令，收到采集等指令后，开始采集39，每采集n次数据组成一个数据包发送到外部，每发送m个数据包则向外部发送确认指令47，便会受到外部发来的确认包48，数据包均是以字节为单位，确认包49的格式为包长+m个值为0或1的数+CRC校验码，0代表第x个包未收到，1代表第x个收到，其中x＝1，2……m。发送的数据包43组成格式为包长+包属性+包序号+n次采集的数据+CRC校验码，其中包序号表示该数据包为m个数据包中的第几个，用i表示，包属性用0或1表示，1表示该数据包为当前正常采集的数据包，0表示该数据包为前m个数据包中的第i个包，该数据包是外部接收端丢失的包。每发送一个当前的正常采集的数据包，假设该包为m个数据包中的第i个包，程序会通过确认包判断前m个包的第i个包有无丢失，若丢失，则执行45，若没有丢失，则跳过步骤45。每发送一次数据包，则将数据保存到缓存中，缓存大小为一个数据包大小的m倍，缓存满了之后则从头开始保存，覆盖原来的数据。

上位机只显示收到的当前采集的正常数据包，收到的补发的丢包则只是后台存入存储文件中，用作后期的离线数据处理用，这样的可靠性设计保证了数据的健全性。

图5是采集、发送数据包、发送确认包的时序示意图。每采集n次数据则打包发送一个数据包x，若前m个包中对应序号的包接收端表示没有收到，则再发一次数据包x’，若收到则不用发x’，当发送了m个当前采集的正常数据包之后，则向外部发送确认指令。数据采集与数据包发送是独立的，发送数据包不影响数据采集。

Claims (7)

1.一种闭环神经刺激系统，包括植入式闭环神经刺激器、与所述植入式闭环神经刺激器相连的电极和传感器、与所述植入式闭环神经刺激器进行双向无线通信的无线通信装置、与所述无线通信装置相连的上位机，

所述植入式闭环神经刺激器具有第一闭环工作模式和第二闭环工作模式；其中，

在第一闭环工作模式中，所述植入式闭环神经刺激器能够采集任意电极触点组合的电信号和/或传感器获取的信号，并将采集的结果通过嵌入式算法运算后实时自动调整输出电脉冲刺激参数；

在第二闭环工作模式中，所述植入式闭环神经刺激器能够采集任意电极触点组合的电信号和/或传感器获取的信号，并将采集的结果通过无线通信模块传输给上位机；所述上位机能够对信号的数据进行闭环算法运算，通过无线通信装置实时控制所述植入式闭环神经刺激器的电脉冲刺激参数；

其特征在于，所述上位机能够对以采集的信号进行前期的数据训练，并针对特定的病人数据设计闭环算法和优化算法关键参数，再通过所述第二闭环工作模式验证闭环刺激和闭环算法的可行性，如果反馈因子和算法可行，则将算法简化成嵌入式算法，通过无线通信模块对植入式神经刺激器的嵌入式程序进行更新，以第一闭环工作模式进行长期的个性化的闭环刺激治疗。

2.根据权利要求1所述的闭环神经刺激系统，其特征在于，所述传感器为包括神经递质浓度传感器的生物化学传感器，能够检测神经递质浓度。

3.根据权利要求1所述的闭环神经刺激系统，其特征在于，所述传感器为三轴加速度传感器。

4.根据权利要求1所述的闭环神经刺激系统，其特征在于，在所述第一闭环工作模式中，所述植入式闭环神经刺激器以低采样率采集信号；所述第二闭环工作模式中，所述植入式闭环神经刺激器以高采样率采集信号。

5.根据权利要求1所述的闭环神经刺激系统，其特征在于，所述植入式闭环神经刺激器在待机期间采用定时监听的方式，t1时间休眠之后t2时间监听外部唤醒信号，无线通信模块在t1时间处于休眠状态；外部唤醒信号为一串重复信号序列，持续时间为定时监听的周期，每个唤醒信号所用时间为t3，连续两次唤醒信号所用时间与两次唤醒信号之间的间隔t4的总时间t5小于或等于每次监听的时间t2。

6.根据权利要求1所述的闭环神经刺激系统，其特征在于，在所述第二闭环工作模式中，所述植入式闭环神经刺激器每采集n次数据组成一个正常数据包发送到外部，并保存到缓存，每发送完m个正常数据包便向接收端索要一个确认包，确认包包含该m个数据包有无收到的信息，每发送一个正常数据包则判断前m个数据包中对应序号的数据包有无收到，若没有收到则补发；上位机收到的补发的数据包仅存储在后台数据文件用于后期的离线数据处理。

7.根据权利要求1所述的闭环神经刺激系统，其特征在于，所述植入式闭环神经刺激器为植入式脑深部电刺激器、植入式脊髓电刺激器、植入式脑皮层电刺激系统或植入式迷走神经电刺激器。