CN108742612B - 基于肌电标志物的dbs有效性检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于肌电标志物的DBS有效性检测设备，属于数据处理技术领域，本发明通过表面肌电图分析技术，创新性的提出以肌电为核心的震颤系数、僵直系数及运动系数，能够客观地评价DBS手术治疗后患者的症状改善情况，从而改变DBS治疗术中有效性判断的目前不足，为揭开DBS手术治疗帕金森氏病的机制奠定坚实的肌电学基础，便携式设备的开发可提高目前帕金森氏病DBS手术治疗的精准性，促进临床成果的转化，弥补临床市场的空缺。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，特别涉及一种基于肌电标志物的DBS有效性检测设备。
背景技术
为解决目前帕金森病(PD)症状严重程度及脑深部电刺激疗法(Deep BrainStimulation，DBS)治疗有效性评估不严谨性、主观性的缺点，很多研究者们近年来一直努力去量化PD患者严重程度，并尝试推出一套客观科学的严重程度或DBS治疗后症状改善程度评估体系。综合起来关于PD患者症状严重程度及改善程度的客观评价标准主要分为两种。
一种较为标准的方法是基于步态分析的运动症状分析技术。2012年M.Mancini etal.认为基于步态分析的步长、步间距可作为评价的客观指标，然而这种方法需要专门的步态分析设备及复杂的装备配置。2013年J.Klucken et al.通过可穿戴传感器设备，简化并改善了这种分析方法。类似的基于步态分析的技术包括：步频分析、足-力量分析、手-运动分析。
但基于步态分析的运动症状分析技术只关注了PD导致的表面运动症状，而忽视了神经肌肉这一紧密相连的环路变化，肌肉本身的活化程度及放电模态并未被发掘出来。
另一种是立足于肌肉的放电特征分析的肌电分析技术。肌肉的放电通常采用表面肌电设备记录下来。肌电分析技术最早用于分析PD患者或特发性震颤(ET)患者的震颤症状，比如PD患者4-6Hz、ET患者5-10Hz的震颤频率就是通过表面肌电分析技术获得的。2010年S.M.Rissanen et al.成功采用肌电分析技术来区别PD患者与正常人。同年Askari etal.试图联合肌肉加速度及特定刺激范式的肌肉放电模态分析试图来研发一套完整的PD症状严重程度评估系统。
但立足于肌肉的放电特征分析的肌电分析技术并未形成具有体系的评估概念，另外其设备目前尚处于研发中，医疗市场中并未发现同类产品上市。
发明内容
为解决上述的全部或部分的技术问题，本发明提供了一种基于肌电标志物的DBS有效性检测设备。
本发明提供的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备包括：信号采集设备和上位机；
所述信号采集设备，用于获取当前用户在进行DBS手术前在静止状态下的各目标肌肉的第一肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术前完成指定动作时的各目标肌肉的第二肌电信号，并将获取的第一肌电信号和第二肌电信号发送至所述上位机；
所述信号采集设备，还用于获取当前用户在进行DBS手术后在静止状态下的各目标肌肉的第三肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术后完成指定动作时的各目标肌肉的第四肌电信号，并将获取的第三肌电信号和第四肌电信号发送至所述上位机；
所述上位机，用于根据所述第一肌电信号确定第一震颤频率，根据所述第二肌电信号确定第一均方根和第一放电时长，根据所述第三肌电信号确定第二震颤频率，根据所述第四肌电信号确定第二均方根和第二放电时长；
所述上位机，还用于根据所述第一震颤频率和第二震颤频率确定震颤系数，根据所述第一均方根和第二均方根确定僵直系数，根据所述第一放电时长和第二放电时长确定运动系数，根据所述震颤系数、僵直系数和运动系数对DBS手术的有效性进行评价。
优选地，所述信号采集设备包括：多个电极接口、放大滤波器和无线连接模块；
多个所述电极接口，用于获取当前用户在进行DBS手术前在静止状态下的各目标肌肉的第一肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术前完成指定动作时的各目标肌肉的第二肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术后在静止状态下的各目标肌肉的第三肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术后完成指定动作时的各目标肌肉的第四肌电信号；
所述放大滤波器，用于对所述第一肌肉信号、第二肌肉信号、第三肌电信号和第四肌电信号分别进行放大滤波；
所述无线连接模块，用于将放大滤波后的第一肌电信号、第二肌电信号、第三肌电信号和第四肌电信号发送至所述上位机。
优选地，所述电极接口中包括参考电极接口，所述参考电极接口与地线相连，所述参考电极接口由静电屏蔽层覆盖。
优选地，所述信号采集设备还包括：开关、电池和充电接口；
所述开关，用于启动/关断所述电池为各电极接口进行供电；
所述充电接口，用于为所述电池进行充电。
优选地，所述上位机根据所述第一震颤频率和第二震颤频率通过下式确定震颤系数，
其中，f(DBS前)为第一震颤频率，f(DBS后)为第二震颤频率；
所述上位机根据所述第一均方根和第二均方根确定僵直系数，
其中，RMS(DBS前)为第一均方根，RMS(DBS后)为第二均方根；
所述上位机根据所述第一放电时长和第二放电时长确定运动系数，
其中，t(DBS前)为第一放电时长，t(DBS后)为第二放电时长。
优选地，所述上位机，还用于对所述DBS手术的评价结果进行展示。
优选地，所述上位机，还用于对所述震颤系数、僵直系数和运动系数进行展示。
优选地，所述上位机，还用于接收当前用户输入的电极放置指令，根据所述电极放置指令在人体肌肉图中对电极放置位置进行展示。
优选地，所述上位机，还用于接收当前用户输入的动作演示指令，根据所述动作演示指令对所述指定动作进行演示。
优选地，所述目标肌肉包括肱二头肌、肱三头肌、桡侧腕曲肌、桡侧腕伸肌、胫骨前肌和腓肠肌中的至少一个。
本发明通过表面肌电图分析技术，创新性的提出以肌电为核心的震颤系数、僵直系数及运动系数，能够客观地评价DBS手术治疗后患者的症状改善情况，从而改变DBS治疗术中有效性判断的目前不足，为揭开DBS手术治疗帕金森氏病的机制奠定坚实的肌电学基础，便携式设备的开发可提高目前帕金森氏病DBS手术治疗的精准性，促进临床成果的转化，弥补临床市场的空缺。
附图说明
图1是本发明一种实施方式的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备的结构框图；
图2是图1所示的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备中信号采集设备的外部结构示意图；
图3是图1所示的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备中信号采集设备的内部结构示意图；
图4是图1所示的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备中上位机的显示界面图；
图5是本发明实施例中肌电信号的示意图；
图6是本发明实施例中的操作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明一种实施方式的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备的结构框图；参照图1，所述基于肌电标志物的DBS有效性检测设备包括：信号采集设备100和上位机200；
所述信号采集设备100，用于获取当前用户在进行DBS手术前在静止状态下的各目标肌肉的第一肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术前完成指定动作时的各目标肌肉的第二肌电信号，并将获取的第一肌电信号和第二肌电信号发送至所述上位机200；
所述信号采集设备100，还用于获取当前用户在进行DBS手术后在静止状态下的各目标肌肉的第三肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术后完成指定动作时的各目标肌肉的第四肌电信号，并将获取的第三肌电信号和第四肌电信号发送至所述上位机200；
为便于保证信号采集的准确性，参照图2～3，所述信号采集设备100可包括：多个电极接口1、放大滤波器6和无线连接模块4；
多个所述电极接口1，用于获取当前用户在进行DBS手术前在静止状态下的各目标肌肉的第一肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术前完成指定动作时的各目标肌肉的第二肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术后在静止状态下的各目标肌肉的第三肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术后完成指定动作时的各目标肌肉的第四肌电信号；
所述放大滤波器6，用于对所述第一肌肉信号、第二肌肉信号、第三肌电信号和第四肌电信号分别进行放大滤波；
所述无线连接模块4，用于将放大滤波后的第一肌电信号、第二肌电信号、第三肌电信号和第四肌电信号发送至所述上位机200。
为便于实现持续供电，本实施例中，所述信号采集设备100还包括：开关3、电池5和充电接口2；
所述开关3，用于启动/关断所述电池为各电极接口1进行供电；
所述充电接口2，用于为所述电池5进行充电。
为进一步提高肌电信号的准确性，本实施例中，所述电极接口1中包括参考电极接口，所述参考电极接口与地线(未示出)相连，所述参考电极接口由静电屏蔽层覆盖。
在具体实现中，各电极接口1分别连接肌电电极，每块肌肉上分别粘上三个肌电电极，一个参考电极(即与所述参考电极接口相连的电极)粘贴在肌腹外的皮肤上，两个采集电极(即与所述参考电极接口之外的其他电极接口相连的电极)分别粘贴在肌腱肌腹、肌腹末端表面皮肤处。
为保证有效性判断的准确性，本实施例中，所述目标肌肉包括肱二头肌、肱三头肌、桡侧腕曲肌、桡侧腕伸肌、胫骨前肌和腓肠肌中的至少一个。
所述上位机200，用于根据所述第一肌电信号确定第一震颤频率，根据所述第二肌电信号确定第一均方根和第一放电时长，根据所述第三肌电信号确定第二震颤频率，根据所述第四肌电信号确定第二均方根和第二放电时长；
所述上位机200，还用于根据所述第一震颤频率和第二震颤频率确定震颤系数，根据所述第一均方根和第二均方根确定僵直系数，根据所述第一放电时长和第二放电时长确定运动系数，根据所述震颤系数、僵直系数和运动系数对DBS手术的有效性进行评价。
本实施方式通过表面肌电图分析技术，创新性的提出以肌电为核心的震颤系数、僵直系数及运动系数，能够客观地评价DBS手术治疗后患者的症状改善情况，从而改变DBS治疗术中有效性判断的目前不足，为揭开DBS手术治疗帕金森氏病的机制奠定坚实的肌电学基础，便携式设备的开发可提高目前帕金森氏病DBS手术治疗的精准性，促进临床成果的转化，弥补临床市场的空缺。
为便于使当前用户能够了解所述DBS手术的有效性，本实施例中，所述上位机200，还用于对所述DBS手术的评价结果进行展示，可参照图4中的显示DBS治疗PD是否有效21的图标。
为便于使当前用户能够了解相应的参数，本实施例中，所述上位机200，还用于对所述震颤系数、僵直系数和运动系数进行展示，可参照图4中的震颤11(即对应震颤系数)、僵直12(即对应僵直系数)以及运动13(即对应运动系数)的图标。
为便于对电极放置位置进行提示，本实施例中，所述上位机200，还用于接收当前用户输入的电极放置指令，根据所述电极放置指令在人体肌肉图中对电极放置位置进行展示，可参照图4中的可自主选择进入的肌电电极放置14的图标，在触发肌电电极放置14的图标后，可显示所有人体肌肉图，自动展示并标明建议连接的电极位点，并建议输入和各肌肉连接的导联序号，系统可有针对性的进行数学模型比对。如需选择推荐位置以外的肌肉，可输入相应肌肉名称或点击相应图形界面位置，系统将对该肌肉建立相应数学模型。
实时肌电图可由医生自选展示的肌电信号数量，默认为8导联，画面上同时显示10秒的肌电信号。评估过程中所采集的肌电信号都会自建文档存入数据库，并自动更新生成最新特征数学模型。
患者病例界面可查看该手术患者相关个人信息及病情，可由医生自行导入或设定为自动导入。
为便于使当前用户能够了解所述指定动作，本实施例中，所述上位机200，还用于接收当前用户输入的动作演示指令，根据所述动作演示指令对所述指定动作进行演示，参照图4中的规定动作15(即为所述指定动作)的图标，所述动作演示指令可通过触发规定动作15的图标生成，在接收动作演示指令后，可通过一小人运动画面演示，医生可直接展示给患者(即当前用户)看，让其模仿出相应动作即可，不必再过多解释；并且有语音和文字的关键点提示和动作说明。
也就是说，上位机200的主界面上可显示：震颤11、僵直12、运动13、可自主选择进入的肌电电极放置14、规定动作15、实时肌电图16、患者病例17等界面的图标和数据上传云端18、关机19、DBS治疗仪参数调节建议(分别对应电压U/电流I、脉宽P、频率F三个参数)20、显示DBS治疗PD是否有效21的图标，在未完成测定时，各系数展示框内显示当前测定状态及下一步操作提示。
如图5所示，图中展示了帕金森患者和正常人在震颤、僵直和运动这3方面的肌电图特点。进行手术有效性评估时，通过下述算法计算出3个系数所对应的症状改善情况。
震颤症状典型的表现是频率为4～6Hz的“搓丸样”震颤，参照图5，正常人静止时肌电图31和患者静止时肌电图32差别明显。肌电表现为在静止状态下的4-6Hz的簇状(Burst)放电，正常人不存在类似肌电。常为DBS手术治疗后改善见效最快和最明显的症状，因此选择震颤频率(f)为指标。
相应地，所述上位机200根据所述第一震颤频率和第二震颤频率通过下式确定震颤系数，
其中，f(DBS前)为第一震颤频率，f(DBS后)为第二震颤频率，当然，震颤系数为正值代表症状改善，负值代表症状加重；
一般而言，僵直症状是DBS手术后改善较明显的症状。肌肉僵直时，患者的肌张力通常会增高，因此基于均方根(RMS)的肌肉放电能量值比正常人高，因此选择能量值RMS为指标。
相应地，所述上位机200可根据所述第一均方根和第二均方根确定僵直系数，
其中，RMS(DBS前)为第一均方根，RMS(DBS后)为第二均方根，当然，僵直系数为正值代表症状改善，负值代表症状加重；
运动迟缓表现PD患者动作变慢，始动困难。完成同一动作时，继续参照图5，正常人肌电图33显示的放电时间短于患者肌电图34放电时间。肢体的屈伸动作的完成速度可以作为衡量指标，表现为完成动作时的肌肉放电时间延长，因此规定几个标准动作，以患者完成动作时的放电时间t为指标。
相应地，所述上位机200根据所述第一放电时长和第二放电时长确定运动系数，
其中，t(DBS前)为第一放电时长，t(DBS后)为第二放电时长，当然，运动系数为正值代表症状改善，负值代表症状加重。
如图6所示，上述检测设备还可在DBS手术中的使用时间和作用为手术之前的初始状态标定和手术中的程控辅助评价，在手术之后的多次程控中也用于辅助评价手术的有效性和选择合适的刺激电压、频率和电流。若患者本身没有震颤、僵直、运动迟缓中的一种症状时，则手术中该指标不予以考虑。
以下以一同时存在震颤、僵直、运动迟缓3种症状的患者的手术流程为例，省略手术中和检测系统关系较小的环节，具体流程为：
a.手术前，按照上位机上提示的肌电电极黏贴位置，在患者身上同时黏贴上多个电极片；
b.在患者全身静止状态下，测定各位点震颤频率；患者按照上位机提示，在一定时间内，完成指定动作，测定各位点运动放电时间和计算均方根对应的能量值；另外也结合帕金森评估量表进行初始状态标定；
c.手术过程中，评价系统依医生需求，保持连接或暂时移除，如保持连接，则在上位机上实时显示多个通道的肌电信号图；
d.植入电极后，常规行术中电压(3.0V)、脉宽(60us)、频率(130Hz)的刺激测试，30s后开始做规定动作，测定僵直系数和运动系数，2分钟后，保持静止，测定震颤指数；结合帕金森评估量表进行效果评定；
e.逐步增大电压或改变其他刺激电流参数，并重复上述评测方式；
f.确定手术有效性后，关闭刺激电极；
g.患者1个月后开机，进行第一次程控，再利用上述评估方法和术前标定状态对比，确定最佳电压、脉宽、频率参数。
通过附图和具体实施方式的描述,从系统组成、结构、系数计算原理、上位机显示界面、使用流程等几个方面详细说明了本发明的技术方案。上述方式只是本发明优选的实施方式,对于本领域内的普通技术人员而言,在本发明公开的基础上,很容易想到将其进行修改或者等同替换,应用于各种医疗仪器系统,而不仅限于本发明具体实施方式所描述的系统结构,因此前面描述的方式只是优选的,而并不具有限制性的意义。
以上所述仅为本发明的几种具体实施例,以上实施例仅用于对本发明的技术方案和构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的构思基础上结合现有技术,通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案,也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种基于肌电标志物的DBS有效性检测设备，其特征在于，所述基于肌电标志物的DBS有效性检测设备包括：信号采集设备和上位机；
所述信号采集设备，用于获取当前用户在进行DBS手术前在静止状态下的各目标肌肉的第一肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术前完成指定动作时的各目标肌肉的第二肌电信号，并将获取的第一肌电信号和第二肌电信号发送至所述上位机；
所述信号采集设备，还用于获取当前用户在进行DBS手术后在静止状态下的各目标肌肉的第三肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术后完成指定动作时的各目标肌肉的第四肌电信号，并将获取的第三肌电信号和第四肌电信号发送至所述上位机；
所述上位机，用于根据所述第一肌电信号确定第一震颤频率，根据所述第二肌电信号确定第一均方根和第一放电时长，根据所述第三肌电信号确定第二震颤频率，根据所述第四肌电信号确定第二均方根和第二放电时长；
所述上位机，还用于根据所述第一震颤频率和第二震颤频率确定震颤系数，根据所述第一均方根和第二均方根确定僵直系数，根据所述第一放电时长和第二放电时长确定运动系数，根据所述震颤系数、僵直系数和运动系数对DBS手术的有效性进行评价；
所述上位机根据所述第一震颤频率和第二震颤频率通过下式确定震颤系数，
其中，f(DBS前)为第一震颤频率，f(DBS后)为第二震颤频率；
所述上位机根据所述第一均方根和第二均方根确定僵直系数，
其中，RMS(DBS前)为第一均方根，RMS(DBS后)为第二均方根；
所述上位机根据所述第一放电时长和第二放电时长确定运动系数，
其中，t(DBS前)为第一放电时长，t(DBS后)为第二放电时长。
2.如权利要求1所述的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备，其特征在于，所述信号采集设备包括：多个电极接口、放大滤波器和无线连接模块；
多个所述电极接口，用于获取当前用户在进行DBS手术前在静止状态下的各目标肌肉的第一肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术前完成指定动作时的各目标肌肉的第二肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术后在静止状态下的各目标肌肉的第三肌电信号，获取当前用户在进行DBS手术后完成指定动作时的各目标肌肉的第四肌电信号；
所述放大滤波器，用于对所述第一肌电信号、第二肌电信号、第三肌电信号和第四肌电信号分别进行放大滤波；
所述无线连接模块，用于将放大滤波后的第一肌电信号、第二肌电信号、第三肌电信号和第四肌电信号发送至所述上位机。
3.如权利要求2所述的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备，其特征在于，所述电极接口中包括参考电极接口，所述参考电极接口与地线相连，所述参考电极接口由静电屏蔽层覆盖。
4.如权利要求2所述的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备，其特征在于，所述信号采集设备还包括：开关、电池和充电接口；
所述开关，用于启动/关断所述电池为各电极接口进行供电；
所述充电接口，用于为所述电池进行充电。
5.如权利要求1～4中任一项所述的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备，其特征在于，所述上位机，还用于对所述DBS手术的评价结果进行展示。
6.如权利要求5所述的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备，其特征在于，所述上位机，还用于对所述震颤系数、僵直系数和运动系数进行展示。
7.如权利要求5所述的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备，其特征在于，所述上位机，还用于接收当前用户输入的电极放置指令，根据所述电极放置指令在人体肌肉图中对电极放置位置进行展示。
8.如权利要求5所述的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备，其特征在于，所述上位机，还用于接收当前用户输入的动作演示指令，根据所述动作演示指令对所述指定动作进行演示。
9.如权利要求1～4中任一项所述的基于肌电标志物的DBS有效性检测设备，其特征在于，所述目标肌肉包括肱二头肌、肱三头肌、桡侧腕曲肌、桡侧腕伸肌、胫骨前肌和腓肠肌中的至少一个。
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