CN110681050B - 一种基于延时反馈控制的噪声深度脑刺激系统 - Google Patents

一种基于延时反馈控制的噪声深度脑刺激系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于延时反馈控制的噪声深度脑刺激系统，其特征在于包括双向电极、微型控制器、上位机、噪声发生器和滤波器。其中，所述双向电极有两个，分别安插在大脑左右侧基底核内的STN核团上，双向电极具有采集和刺激两种属性，通过在上位机设置电极属性，实现对底丘脑核STN核团局部场电位LFPs的采集和噪声刺激的施加，并将采集信号传至微型控制器；所述微型控制器包括预处理模块、估计模块和延时反馈控制模块；上位机用以计算并显示基底核内部核团的放电序列、LFPs、放电率、功率谱(PSD)，丘脑核团的放电序列和可靠性指数(RI)以及全部噪声参数，并将全部噪声参数传至噪声发生器和滤波器。

Description

一种基于延时反馈控制的噪声深度脑刺激系统
技术领域
本发明涉及生物医学工程领域，具体为一种基于延时反馈控制的新型噪声深度脑刺激系统。
背景技术
帕金森病是由大脑内缺乏一种名为多巴胺的神经递质引起的，多巴胺的缺失会使得神经元的放电率及放电模式发生变化，并伴随着大脑基底核内部神经元出现beta频段(12-35Hz) 的同步放电现象。病态的同步放电现象会严重影响丘脑对外部刺激的反应能力，即丘脑的可靠性降低，从而帕金森患者会出现诸如静止性震颤、运动迟缓、运动不能等方面的症状。缓解上述症状的现有方法以深度脑刺激(DBS)为主，DBS可以有效减弱基底核内部神经元在beta频带的同步放电现象。然而，DBS存在以下方面的弊端：一方面施加临床标准130Hz 左右脉冲的DBS刺激，会引发大脑基底核内部的神经元在同频率附近发生同步放电，可能会带来其它负面影响；另一方面，DBS的能耗较高，需要定期更换电池，大幅增加了手术的风险。
发明内容
本发明提供一种基于延时反馈控制的新型噪声深度脑刺激系统，该系统基于延时反馈控制方法，利用植入电极实现对噪声刺激信号的施加及实时调节。技术方案如下：
一种基于延时反馈控制的噪声深度脑刺激系统，其特征在于包括双向电极、微型控制器、上位机、噪声发生器和滤波器。其中，
所述双向电极有两个，分别安插在大脑左右侧基底核内的STN核团上，双向电极具有采集和刺激两种属性，通过在上位机设置电极属性，实现对底丘脑核STN核团局部场电位LFPs的采集和噪声刺激的施加，并将采集信号传至微型控制器；
所述微型控制器包括预处理模块、估计模块和延时反馈控制模块；所述预处理模块对采集信号进行去伪迹处理，得到去伪迹的STN的局部场电位；所述估计模块根据STN 的LFPs估算基底核内包括外苍白球GPe与内苍白球GPi核团在内的核团和丘脑TH的放电序列并计算相应核团的LFPs，将基底核内部核团和丘脑的放电序列与LFPs传至上位机；所述延时反馈控制模块以基底核内部一个核团的LFPs作为输入信号，以噪声的一个参数作为输出信号并传至上位机；延时反馈控制模块采用线性延时反馈的控制方法；
上位机用以计算并显示基底核内部核团的放电序列、LFPs、放电率、功率谱(PSD)，丘脑核团的放电序列和可靠性指数(RI)以及全部噪声参数，并将全部噪声参数传至噪声发生器和滤波器；所述噪声发生器根据噪声参数生成相应的高斯白噪声并传至滤波器；所述滤波器根据噪声参数对高斯白噪声序列进行滤波处理，得到有色噪声刺激信号，并利用双向电极输出刺激信号。
所述上位机用于设置并显示：双向电极的属性，即是采集还是刺激属性。
所述上位机用于设置并显示：延时反馈控制模块的输入信号是STN的LFPs、GPe的LFPs 还是GPi的LFPs。
所述上位机用于设置并显示：输出信号为噪声强度还是初始频率及频带宽度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用线性延时反馈的控制方法，便于实现，且生成的有色噪声刺激信号能实时地与神经元核团的放电情况相适应，从而更有利于调节神经元的放电情况；本发明系统可以通过在上位机设置延时反馈控制模块的输入信号和输出信号，从而拓宽了该系统的应用范围；本发明系统不改变现有DBS手术的流程，实现了脑电采集与噪声刺激的统一，可以根据需要在上位机设置双向电极的采集属性和刺激属性，灵活调节电极功能。
附图说明
图1为本发明系统的方案结构图
图2为本发明系统的上位机显示界面示意图
图中：
1-双向电极；2-微型控制器，21-预处理模块，22-估计模块，23-延时反馈控制模块；3- 上位机；4-噪声发生器；5-滤波器。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明的技术方案进行清除完整的描述及说明，但并不以此作为本申请保护范围的限定。
下面结合实施例及其附图对本发明的技术方案进行清除完整的描述及说明，但并不以此作为本申请保护范围的限定。
本发明一种基于延时反馈控制的新型噪声深度脑刺激系统(简称系统，参见图1-2)，其特征在于该系统包括双向电极1、微型控制器2、上位机3、噪声发生器4和滤波器5；
所述双向电极1有两个，双向电极11和12分别安插在大脑左右两侧基底核内的STN核团上，电极具有采集和刺激两种属性，通过在上位机设置电极的属性，实现对底丘脑核(STN)核团局部场电位(LFPs)的采集和噪声刺激的施加，并将采集信号传输至微型控制器2；
所述微型控制器2包括预处理模块21、估计模块22和延时反馈控制模块23；所述预处理模块21利用小波变换的方法对采集信号进行去伪迹处理，得到去伪迹的STN局部场电位[1]；所述估计模块22根据STN的LFPs估算基底核内其他核团(如GPe和GPi核团)和丘脑(TH)的放电序列并计算相应核团的LFPs[2]，将基底核内部核团和丘脑的放电序列与 LFPs传至上位机；所述延时反馈控制模块23以GPi核团的LFPs作为输入信号，经过延时反馈控制后，以噪声强度作为输出信号传至上位机，延时反馈控制模块23采用线性延时反馈的控制算法，具体表达式如下：
Y(t)＝K(xI(t)-xI(t-τ))
其中，σ为噪声强度，K为延时反馈增益，在本实施例中xI取神经元核团GPi的LFPs，
τ为延时时长；
所述上位机3用于设置并显示双向电极1的属性、延时反馈控制模块23的输入和输出信号以及噪声初始频率和频带宽度；另外，上位机3可以计算并显示基底核内部核团的放电序列、LFPs、放电率、功率谱(PSD)，丘脑核团的放电序列和可靠性指数(RI)以及全部噪声参数，并将全部噪声参数传至噪声发生器4和滤波器5；所述噪声发生器4根据噪声参数生成相应的高斯白噪声，并传至滤波器5；所述滤波器5采用巴特沃斯滤波器，根据噪声参数对高斯白噪声序列进行滤波处理，得到有色噪声刺激信号，并利用双向电极1输出至 STN核团。
实施例中引用的相关文献
[1]张莉,何为,何传红.脑电伪迹消除方法的研究[C]//全国电工数学学术年会.2005.
[2]Liu Chen,Zhou Changsong,Wang Jiang,Fietkiewicz Chris,LoparoKenneth A.Delayed Feedback-Based Suppression of Pathological Oscillations ina Neural Mass Model.[J].IEEE transactions on cybernetics,2019。

Claims (4)

1.一种基于延时反馈控制的噪声深度脑刺激系统，其特征在于包括双向电极、微型控制器、上位机、噪声发生器和滤波器， 其中，
所述双向电极有两个，分别安插在大脑左右侧基底核内的STN核团上，双向电极具有采集和刺激两种属性，通过在上位机设置电极属性，实现对底丘脑核STN核团局部场电位LFPs的采集和噪声刺激的施加，并将采集信号传至微型控制器；
所述微型控制器包括预处理模块、估计模块和延时反馈控制模块；所述预处理模块对采集信号进行去伪迹处理，得到去伪迹的STN的局部场电位；所述估计模块根据STN的LFPs估算基底核内包括外苍白球GPe与内苍白球GPi核团在内的核团和丘脑TH的放电序列并计算相应核团的LFPs，将基底核内部核团和丘脑的放电序列与LFPs传至上位机；所述延时反馈控制模块以基底核内部一个核团的LFPs作为输入信号，以噪声的一个参数作为输出信号并传至上位机；延时反馈控制模块采用线性延时反馈的控制方法；
上位机用以计算并显示基底核内部核团的放电序列、LFPs、放电率、功率谱(PSD)，丘脑核团的放电序列和可靠性指数(RI)以及全部噪声参数，并将全部噪声参数传至噪声发生器和滤波器；所述噪声发生器根据噪声参数生成相应的高斯白噪声并传至滤波器；所述滤波器根据噪声参数对高斯白噪声序列进行滤波处理，得到有色噪声刺激信号，并利用双向电极输出刺激信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机用于设置并显示：双向电极的属性，即是采集还是刺激属性。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机用于设置并显示：延时反馈控制模块的输入信号是STN的LFPs、GPe的LFPs还是GPi的LFPs。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机用于设置并显示：输出信号为噪声强度还是初始频率及频带宽度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103691058A (zh) * 2013-12-10 2014-04-02 天津大学 帕金森病基底核-丘脑网络的深度脑刺激fpga实验平台
CN108325078A (zh) * 2018-01-31 2018-07-27 天津大学 可远程控制的多通道dbs装置及评估系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITMI20052061A1 (it) * 2005-10-28 2007-04-29 Fondazione Irccs Apparecchiatura per il trattamento di disturbi neurologici mediante stimolazione cerebrale cronica adattativa retroazionata da biopotenziali locali

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103691058A (zh) * 2013-12-10 2014-04-02 天津大学 帕金森病基底核-丘脑网络的深度脑刺激fpga实验平台
CN108325078A (zh) * 2018-01-31 2018-07-27 天津大学 可远程控制的多通道dbs装置及评估系统

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