CN108607159A - 一种可采集lfp数据的dbs系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可采集LFP数据的DBS系统,属于数字医疗仪器领域。包含刺激装置(3)、患者控制装置(4)、医生控制端(5)和云端服务器(6);刺激装置(3)包含放大模块(301)、带通滤波模块(302)、AD转化模块(303)、刺激模块(304)、主控模块(305)和无线传输模块(306);主控模块(305)与刺激模块(304)连接;主控模块(305)与AD转化模块(303)、带通滤波模块(302)和放大模块(301)依次串联;患者控制装置(4)包含:心率传感器模块(401)、信号处理模块(402)、显示模块(403)、无线传输模块(404)、按键模块(405)和4G模块(406)。本发明为一套完整系统,此系统能够解决现存DBS装置长时间连续刺激带来的不适,同时获取的大量LFP数据为医生提供了一个更加客观的分析、评价标准克服主观评价带来的不确定性。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域,涉及一种可采集LFP数据的DBS系统。
背景技术
帕金森(Parkinson’s disease,PD)是仅次于阿尔茨海默病(AD)的第二大、多发于中老年人的神经系统退行性疾病,随着我国老龄化加重,帕金森患者数量也必将迅速增加。脑深部刺激(Deep Brain stimulator,DBS)装置主要用于治疗中晚期帕金森疾病。传统的DBS由电极、内部脉冲发生器、连接导线三部分组成。通过在脑内特定的神经核团植入电极,由脉冲发生器产生高频电刺激神经核团,从而抑制这些因多巴胺能神经元减少而过度兴奋的神经元的电冲动,减低了其过度兴奋的状态,从而减轻帕金森病症状。
目前市面上商用的装置都是传统的DBS,主要有Medtronic公司的Activa型DBS,以及品驰公司的G102型DBS。同时北京品驰医疗设备有限公司在《一种在头部植入的脑深部刺激系统》(201410028129.3)(已授权)公布了一种DBS装置,与前面两种商用DBS相比,脉冲发生器植入部位由胸部转移到了头部,并且增加了无线充电功能。这种方式能够减少手术面积,从而能减少手术带来的风险,并且增加了无线充电方式能够降低更换电池带来的手术风险。然而随着帕金森的恶化,以上三种装置都需要专业医师定时对参数进行调节。这种调节方式需要医师对患者进行多次回访并评估患者的病态发展,整个过程能够持续3-12个月,并且这个调节是会受到医师的经验以及患者自身描述等因素影响,具有主观性。因此客观地评价帕金森患者病情发展成为下一个研究目标。皇家飞利浦电子股份有限公司公布的《脑深部刺激系统》(200590031533.5)能够检测由帕金森引起的震颤,根据检测的震颤来控制刺激的开关,或者根据震颤的强度来控制刺激参数的改变而不需要医师的介入,同时能够减少能量的消耗增加电池寿命。然而不能存储大量的与病人症状直接相关的数据,医生不能根据数据评估患者的病情发展而给出合理的诊断和建议,并且不能实时监测患者的病态。先健科技(深圳)有限公司公布的《外置预测功能的脑深部刺激系统》(201310567405.9)包括内部刺激治疗装置和外部检测控制装置,此装置通过检测患者头皮脑电信号来提前预测癫痫并控制刺激治疗系统的工作,同时向患者发出报警提醒患者做好预防措施,然而其检测控制装置采用头戴式,容易造成电极和头皮的贴合不密切,采集的头皮脑电信号不准确,同时脱离了医生的监控。清华大学在《闭环神经刺激系统》(201410481800.X)(已授权)公布了一种可以采集病人颅内脑电信号,实时调整脉冲刺激参数,并且可以通过上位机显示数据、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。然而此系统数据上传需要在限定距离以内,因此更适用于实验室研究使用。
由上描述可知,现有的DBS装置主要存在两种:一种是由医生对通过病人的回访即病人口述帕金森症状表现情况,根据医生自身经验以及对病情的判断来调节DBS刺激参数,此种方式具有主观性并且耗费大量时间分析和评估病人病情发展状况。另一种是通过检测与帕金森病相关的症状以及生理信号作为调节DBS装置参数的依据,具有客观性,实时性,然而此种方式脱离了医生的控制,基本由装置自身判断来控制参数的调节,具有不可控性,且医生不能时刻监控以及评估病人的病情发展,给出更加合理的治疗方案。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种可采集LFP数据的DBS系统,为医生提供一个更加客观的评价标准,并且能够实时动态的监控用户状态。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种可采集LFP数据的DBS系统,包含刺激装置3和患者控制装置4;
所述刺激装置3包含放大模块301、带通滤波模块302、AD转化模块303、刺激模块304、主控模块305和无线传输模块306;
所述主控模块305与所述刺激模块304连接;
所述主控模块305与AD转化模块303、带通滤波模块302和放大模块301依次串联;
所述患者控制装置4包含:心率传感器模块401、信号处理模块402、显示模块403、无线传输模块404、按键模块405和4G模块406;
所述心率传感器模块401通过所述信号处理模块402连接至微控制单元410,所述显示模块403、无线传输模块404、按键模块405和G模块406分别连接至所述微控制单元410。
所述患者控制装置4还包含存储模块407和USB模块408,所述存储模块407和USB模块408均连接至所述微控制单元。
进一步,所述放大模块301为多级放大器,倍数可调整,且放大倍数范围为50-1000倍。
进一步,还包含电极1,包含4个触点,其中两个触点通过连接导线2连接至所述刺激模块304,剩下两个触点通过连接导线2连接至放大模块301,所述电极1植入大脑,所述连接导线2植入皮下组织,所述刺激装置3植入胸下皮质。
进一步,所述带通滤波模块302包含二阶有源带通滤波电路,所述二阶有源带通滤波电路包含低通滤波电路和高通滤波电路,所述低通滤波电路的截止频率为100Hz,所述高通滤波电路的截止频率为1Hz,所述二阶有源带通滤波电路的运放芯片类型为毫微功耗型运放芯片。
进一步,所述AD转化模块303为低功耗、高性能AD转化芯片。
进一步,还包含医生控制端5和云端服务器6,所述医生控制端5通过USB模块408与所述患者控制装置4相连,所述患者控制装置4通过4G模块406向所述云端服务器6传输数据,所述医生控制端5通过网络访问所述云端服务器6。
本发明的有益效果在于:
1、本发明增加了脉搏信号检测部分,当用户处于睡眠状态时,帕金森症状消失,研究表明脉搏状态可以反应睡眠状态,因此通过检测患者的脉搏状态判断患者是否进入睡眠状态,当患者进入睡眠时自行关闭刺激功能,并在清醒状态打开刺激功能,此种方式能够减少功耗并增加电池的使用寿命,并且用户可以在出现刺激不适的情况自关闭刺激功能。
2、本发明增加了数据存储、下载功能,通过无线方式把采集到的LFP数据传输到用户控制端,此数据可以通过USB接口下载到医生的专用电脑。通过分析LFP数据,客观的评估患者的病情发展并以此为依据针对患者修改DBS装置的刺激参数,以求达到最优的刺激效果。
3、本发明增加了数据共享功能,通过现有的4G网络或者无线网络把采集的LFP数据共享到云端服务器,医生可以在电脑端可以共享云端服务器数据并随时监测以及分析患者的状态,此种方式能够实现医生对患者的病情发展实时动态跟踪。
与现有技术相比,本发明采用了更多的创新性想法,包括患者控制分部,数据存储、下载功能、数据共享功能。使该装置能够为医生提供一个更加客观的评价标准,并且能够实时动态的监控用户状态。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
图1为本发明DBS装置系统示意图;
图2为本发明刺激装置原理结构框图;
图3为本发明患者控制装置原理结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述。
由于LFP信号微弱且容易收到干扰的特点,患者处于睡眠状态帕金森病相关症状消失,以及医生可以根据LFP数据对病情发展客观评价并调整刺激参数,并且实时动态跟踪患者状态。因此与闭环神经刺激系统相比较,要求设计的DBS装置具有能在入睡后控制刺激功能关闭以及清醒时开启刺激的控制部分、能够存储大量的LFP数据并可以把数据提供给医生分析和评估、LFP数据可以分享到云端服务器以便医生及时接收并实时动态跟踪患者的病情。
如图1所示,本发明提供一种可采集LFP数据的DBS系统,分为刺激装置3和患者控制装置4。
如图2所示,刺激装置3包括:
放大模块301、带通滤波模块302、AD转化模块303、无线传输模块306、刺激模块304、主控模块305。
如图3所示,患者控制装置4包括:
心率传感器模块401、信号处理模块402、显示模块403、无线传输模块404、按键模块405、4G模块406、存储模块407、USB模块408和微控制单元410。
放大模块301完成对微弱LFP信号的初步放大,带通滤波模块302完成对信号的滤波作用,主要是滤除信号宽带以外的高频干扰。
AD转化模块303实现对模拟信号的数字转化以便主控对信号的处理,无线传输模块306实现数据以及控制指令的传递,刺激模块304传递由主控产生的电脉冲至电极1,控制模块4采用手腕佩戴方式,心率传感器模块401实现脉搏信号的采集。
信号处理模块402实现对采集的脉搏信号的放大、滤波、AD转化,显示模块403完成对刺激参数、电量的显示,无线传输模块404接收LFP数据以及控制命令的传递,按键模块405实现控制刺激装置3的开关以及刺激参数的调整,4G模块406实现共享LFP数据至云端服务器,存储模块407实现对大量LFP数据的存储以及控制算法的存储,USB模块408实现下载存储模块407中LFP数据供医生分析。
实施例
首先,刺激装置组成:
图2为刺激装置原理框图,主要分为放大模块301、带通滤波模块302、AD转化模块303、无线传输模块306、刺激模块304、主控模块305。
放大模块301对LFP信号进行放大,由于LFP信号十分微弱,为了适用不同量级的生理电信号,放大模块放大倍数设计为可调,其放大倍数调节范围为50-1000倍。同时使用的毫微功耗运放芯片能够增加电池的使用寿命。
带通滤波模块302主要是保留处于100Hz以下低频信号成分,由于高频(130-185Hz)电刺激幅值较强,达到1-3.5V,而LFP信号为200uV。高频电刺激成分能够完全覆盖LFP信号。而带通滤波器选择二阶有源带通滤波电路,由低通和高通网络两部分组成,高通截至频率设置为1Hz,低通截至频率设置为100Hz。有源带通滤波电路的运放芯片使用毫微功耗的运放芯片。
AD转化模块303使用低功耗、高分辨率芯片(如ADS129x系列),此系列芯片可应用于医疗仪器包括心电、肌电、脑电信号的检测。其分辨率高达24位,能够分辨低于1uV,使其能够检测到微弱的LFP信号,并且其具有较高共模抑制比,支持最高16kSPS采样率,能够保证LFP信号的完整性。
无线传输模块306选用蓝牙模块,需要保证低功耗、体积小等特点,因此使用集成的蓝牙模块USR-BLE101,其体积为10*10*2mm,能够减小整个装置设计的大小并适合皮下植入。此模块支持1.3uA低功耗广播模式,150nA休眠模式,多种唤醒方式,能够最大程度上减少装置电量消耗增加电池寿命。
控制组成:
如图1所示设计为腕式佩戴方式:
图3为患者控制装置4原理框图,主要分为心率传感器模块401、信号处理模块402、显示模块403、无线传输模块404、按键模块405、4G模块406、存储模块407、USB模块408和微控制单元410。
心率传感器模块401使用光电式传感器检测脉搏信号。
信号处理模块402包括信号放大、滤波、AD转换,且设计与刺激装置电路设计一致,仅仅重新设计信号带通滤波器带宽。
无线传输模块404依然选用与刺激装置3中相同的蓝牙模块。
按键模块405包含刺激开关控制按键、刺激参数调节按键及蓝牙模块唤醒按键等。并通过显示部分显示调整刺激参数以及电量。
USB模块408和存储模块407配合实现数据的存储以及下载,且存储部分具有较大存储空间以满足大量LFP数据的存储。
4G模块406使用现在的4G技术,完成数据到云端服务器的数据共享。
患者部分分为刺激装置3与患者控制装置4两部分:①刺激装置3由植入大脑的电极1,连接导线2,刺激装置3组成。电极1有四个触电,其中两个作为高频电刺激输出,另外两个触电为LFP信号接收使用。连接导线2植入皮下并且连接电极与刺激装置3。刺激装置3植入胸下皮质,起到高频刺激产生,LFP信号获取,参数调节等功能。②患者控制部分4接收以及存储来自刺激装置3的LFP数据,控制刺激功能开关以及参数调节命令,并通过4G模块实现数据到云端服务器6的上传。
云端服务器6则是实时的接收来自患者控制模块4发送过来的LFP数据。
医生控制端5主要通过两种方式接收和处理来自患者的LFP数据:①医生通过患者控制装置4的USB接口下载存储的大量LFP数据,并通过在电脑端分析和评估患者病情发展进程,并以此为依据客观的通过患者控制装置4调节刺激参数,从而达到最优的治疗效果。②医生通过电脑接收来自云端服务器6的LFP数据,实时监控及跟踪患者的病情的动态发展。
图2为刺激装置原理结构框图,来自患者大脑内植入电极的LFP信号经过前置放大器初步放大后,而带通滤波器实现对信号的1-100Hz的滤波,AD转换模块实现对信号的模数转换,并经过MCU传递至蓝牙模块,而蓝牙模块则实现数据到患者控制部分的传递以及控制命令的接收。MCU完成刺激脉冲的产生,开关以及参数调节等功能。
图3为患者控制部分原理结构框图,其中微控制单元410为MUC实现整个控制部分的调节。心率传感器检测到的脉搏信号经过信号处理,由MCU中的算法分析患者处于睡眠状态或者清醒状态,并通过蓝牙模块发送控制刺激功能的开关。按键实现包括用户对刺激器的开关以及对刺激器刺激参数调节功能。显示部分显示调整的刺激参数以及电量信息。蓝牙模块实现刺激器发送的LFP数据接收以及向刺激器发送的调整后的刺激参数。4G模块则实现LFP数据上传至云端服务器。而存储模块则实现大量的LFP数据存储,并可以通过USB接口把数据下载至医生电脑端实现数据的分析评估。
最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种可采集LFP数据的DBS系统,其特征在于:包含刺激装置(3)和患者控制装置(4);
所述刺激装置(3)包含放大模块(301)、带通滤波模块(302)、AD转化模块(303)、刺激模块(304)、主控模块(305)和无线传输模块(306);
所述主控模块(305)与所述刺激模块(304)连接;
所述主控模块(305)与AD转化模块(303)、带通滤波模块(302)和放大模块(301)依次串联;
所述患者控制装置(4)包含:心率传感器模块(401)、信号处理模块(402)、显示模块(403)、无线传输模块(404)、按键模块(405)和4G模块(406);
所述心率传感器模块(401)通过所述信号处理模块(402)连接至微控制单元(410),所述显示模块(403)、无线传输模块(404)、按键模块(405)和G模块(406)分别连接至所述微控制单元(410)。
2.根据权利要求1所述的一种可采集LFP数据的DBS系统,其特征在于:所述患者控制装置(4)还包含存储模块(407)和USB模块(408),所述存储模块(407)和USB模块(408)均连接至所述微控制单元。
3.根据权利要求1所述的一种可采集LFP数据的DBS系统,其特征在于:所述放大模块(301)为多级放大器,倍数可调整,且放大倍数范围为50-1000倍。
4.根据权利要求1所述的一种可采集LFP数据的DBS系统,其特征在于:还包含电极(1),包含4个触点,其中两个触点通过连接导线(2)连接至所述刺激模块(304),剩下两个触点通过连接导线(2)连接至放大模块(301),所述电极(1)植入大脑,所述连接导线(2)植入皮下组织,所述刺激装置(3)植入胸下皮质。
5.根据权利要求4所述的一种可采集LFP数据的DBS系统,其特征在于:所述带通滤波模块(302)包含二阶有源带通滤波电路,所述二阶有源带通滤波电路包含低通滤波电路和高通滤波电路,所述低通滤波电路的截止频率为100Hz,所述高通滤波电路的截止频率为1Hz,所述二阶有源带通滤波电路的运放芯片类型为毫微功耗型运放芯片。
6.根据权利要求5所述的一种可采集LFP数据的DBS系统,其特征在于:所述AD转化模块(303)为低功耗、高性能AD转化芯片。
7.根据权利要求2所述的一种可采集LFP数据的DBS系统,其特征在于:还包含医生控制端(5)和云端服务器(6),所述医生控制端(5)通过USB模块(408)与所述患者控制装置(4)相连,所述患者控制装置(4)通过4G模块(406)向所述云端服务器(6)传输数据,所述医生控制端(5)通过网络访问所述云端服务器(6)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181002 |