CN116077831A - 刺激参数自动调节装置及植入式神经电刺激系统 - Google Patents

刺激参数自动调节装置及植入式神经电刺激系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种刺激参数自动调节装置及植入式神经电刺激系统，调节装置包括第一多路复用器、第二多路复用器、采集模块、刺激参数存储模块、刺激输出模块、电极位点选择模块、电极位点和刺激效果评估模块；电极位点选择模块根据刺激参数控制刺激输出模块产生刺激电压或电流；刺激输出模块的刺激电压或电流通过第二多路复用器施加在相应的电极位点上；电极位点选择模块还用于控制采集模块通过第一多路复用器采集相应电极位点的神经信号；采集模块将采集结果传输至刺激效果评估模块；刺激效果评估模块用于分析结果并调整电极位点下次的刺激参数；调整后的刺激参数更新至刺激参数存储模块中。本申请能够根据人体状态参数变化快速调整刺激参数。

Description

刺激参数自动调节装置及植入式神经电刺激系统
技术领域
本申请属于脑电刺激领域，具体涉及一种刺激参数自动调节装置及植入式神经电刺激系统。
背景技术
随着科技的发展，为了更好地研究脑电信号，人们需要将更多的电极植入人脑中。在神经电刺激领域，刺激芯片上的刺激通道与电极位点7相对应，因此需要使用更多的刺激芯片，这就导致植入装置的体积会变大。
植入式神经电刺激系统通常采用电池供电，然而，电池的尺寸和容量有限。当神经电刺激位点较多时，需要更多的刺激能量，电池续航能力将面临压力。本申请发明人在研发过程中发现，为提高植入式神经电刺激系统的续航时间，在提供相同刺激效果的前提下，如何降低刺激功率成为亟需解决的问题；另外，现有的植入式神经电刺激系统在进行神经电刺激时，未考虑个体差异、个体状态差异以及相邻位点神经元的连接关系对刺激参数的影响；当人体状态参数发生变化时，现有的植入式神经电刺激系统不能及时调整刺激参数。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种刺激参数自动调节装置及植入式神经电刺激系统。
根据本申请实施例的第一方面，本申请提供了一种刺激参数自动调节装置，用于植入式神经电刺激系统中，其包括第一多路复用器、第二多路复用器、采集模块、刺激参数存储模块、刺激输出模块、电极位点选择模块、电极位点和刺激效果评估模块；
所述刺激参数存储模块用于存储刺激参数；所述电极位点选择模块从所述刺激参数存储模块获取刺激参数，以控制所述刺激输出模块根据刺激参数产生相应的刺激电压或电流，并对所述第二多路复用器进行通路选择；所述刺激输出模块产生的刺激电压或电流通过所述第二多路复用器施加在相应的所述电极位点上；
所述电极位点选择模块还用于对所述第一多路复用器进行通路选择，并控制所述采集模块通过所述第一多路复用器采集相应所述电极位点的神经信号；所述采集模块对采集到的所述电极位点的神经信号进行模数转换后将结果传输至所述刺激效果评估模块；
所述刺激效果评估模块用于对接收到的结果进行分析，并根据分析结果调整所述电极位点下次的刺激参数；所述刺激效果评估模块将调整后的刺激参数传输至所述刺激参数存储模块进行更新存储。
上述刺激参数自动调节装置中，所述电极位点选择模块按照预设时间间隔依次切换所有所述电极位点，以进行神经电刺激和神经信号采集。
进一步地，所述电极位点选择模块的工作过程为：
所述电极位点选择模块将所述第二多路复用器的通路设置为n，将所述第一多路复用器的通路设置为n+1；所述电极位点选择模块从所述刺激参数存储模块获取对应第n个所述电极位点的刺激参数，并将所述刺激参数输入至所述刺激输出模块，启动电极刺激，刺激时长为t1；所述电极位点选择模块控制所述采集模块进行神经信号采集，采集时长为t2。
进一步地，所述刺激效果评估模块的工作过程为：
所述刺激效果评估模块整合本次接收到的神经信号以及所述电极位点最近N次的采集信号，计算得到单位时间内神经元Spike的发放率Rate；
所述刺激效果评估模块判断发放率Rate是否大于或等于预设的第一发放率阈值ThrA；如果是，则进一步判断发放率Rate是否大于预设的第二发放率阈值ThrB；如果发放率Rate大于预设的第二发放率阈值ThrB，则所述刺激效果评估模块将所述电极位点的下次刺激电流设置为：本次刺激电流-ΔI，下次刺激时长设置为：本次刺激时长-Δt；其中，ΔI表示电流差值，Δt表示时长差值，所述刺激效果评估模块将所述下次刺激电流和所述下次刺激时长更新至所述刺激效果评估模块后结束。
更进一步地，如果所述刺激效果评估模块判定发放率Rate小于预设的第一发放率阈值ThrA，则所述刺激效果评估模块将所述电极位点的下次刺激电流设置为：本次刺激电流+ΔI，下次刺激时长设置为：本次刺激时长+Δt；所述刺激效果评估模块将下次刺激电流和下次刺激时长更新至所述刺激效果评估模块后结束。
更进一步地，所述第一发放率阈值ThrA和第二发放率阈值ThrB根据不同脑区设置不同的数值，所述第二发放率阈值ThrB大于第一发放率阈值ThrA。
更进一步地，所述第一发放率阈值ThrA和第二发放率阈值ThrB的关系设置为：ThrB＝ThrA*1.2。
更进一步地，所述电流差值和时长差值的数值根据所选刺激芯片确定。
根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种植入式神经电刺激系统，其包括上述任一项所述的刺激参数自动调节装置。
根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请提供的刺激参数自动调节装置通过采集模块采集电极位点的神经电信号，由刺激效果评估模块根据神经电信号分析上次刺激参数产生的刺激效果，并调整下次使用的神经电刺激参数，刺激输出模块根据刺激参数产生相应的刺激电压或电流以施加在电极位点上；当人体状态参数发生变化时，本申请能够快速调整刺激参数；且对于不同的电极位点可以使用不同的刺激参数来达到相同的刺激效果。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。
附图说明
下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。
图1为本申请具体实施方式提供的一种刺激参数自动调节装置的原理图。
图2为本申请具体实施方式提供的一种刺激参数自动调节装置的运行流程图。
图3为本申请具体实施方式提供的一种刺激参数自动调节装置中刺激与采集的时序关系图。
图4为本申请具体实施方式提供的一种刺激参数自动调节装置中刺激效果评估模块的工作流程图。
附图标记说明：
1、第一多路复用器；2、第二多路复用器；3、采集模块；4、刺激参数存储模块；5、刺激输出模块；6、电极位点选择模块；7、电极位点；8、刺激效果评估模块。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。
本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
如图1所示，本申请实施例提供的刺激参数自动调节装置用于植入式神经电刺激系统中，其包括第一多路复用器1、第二多路复用器2、采集模块3、刺激参数存储模块4、刺激输出模块5、电极位点选择模块6、电极位点7和刺激效果评估模块8。其中，第一多路复用器1、第二多路复用器2、采集模块3、刺激参数存储模块4和刺激输出模块5均与电极位点选择模块6连接。采集模块3的输入端通过第一多路复用器1与电极位点7连接，其输出端与刺激效果评估模块8连接。刺激效果评估模块8与刺激参数存储模块4连接。刺激输出模块5通过第二多路复用器2与电极位点7连接。
刺激参数存储模块4用于存储刺激电流和单次刺激时长等刺激参数。
电极位点选择模块6从刺激参数存储模块4获取刺激参数，以控制刺激输出模块5根据刺激参数产生相应的刺激电压或电流等；并对第二多路复用器2进行通路选择。刺激输出模块5产生的刺激电压或电流等通过第二多路复用器2施加在相应的电极位点7上。
电极位点选择模块6还用于对第一多路复用器1进行通路选择，并控制采集模块3通过第一多路复用器1采集相应电极位点7的神经信号。
采集模块3对采集到的电极位点7的神经信号进行模数转换后将结果传输至刺激效果评估模块8。
刺激效果评估模块8用于对接收到的结果进行分析，并根据分析结果调整电极位点7下次的刺激参数。刺激效果评估模块8将调整后的刺激参数传输至刺激参数存储模块4进行更新存储。
其中，电极位点选择模块6按照预设时间间隔依次切换所有电极位点7，以进行神经电刺激和神经信号采集。如图2和图3所示，下面以对第n个电极位点7进行刺激为例，说明本申请实施例提供的刺激参数自动调节装置的运行过程。
电极位点选择模块6选择连通第二多路复用器2的第n个通路，选择连通第一多路复用器1的第n+1个通路。电极位点选择模块6从刺激参数存储模块4获取对应第n个电极位点7的刺激参数，并将该刺激参数输入至刺激输出模块5，启动电极刺激，刺激时长为t1；同时，电极位点选择模块6控制采集模块3进行神经信号采集，采集时长为t2。采集模块3将采集到的神经信号传输至刺激效果评估模块8。
刺激效果评估模块8对采集到的神经信号以及该电极位点7的历史神经信号进行分析，评估相应的刺激效果，计算得到下次刺激该电极位点7所需的刺激参数。刺激效果评估模块8将计算得到的刺激参数更新至刺激参数存储模块4。
在上述实施例中，下面以对第n个电极位点7的第m次采集为例，具体说明刺激效果评估模块8的工作过程。
如图4所示，采集模块3对第n个电极位点7的神经信号进行采集，采集时长为t1。采集模块3将采集到的神经信号输入至刺激效果评估模块8。
刺激效果评估模块8整合本次接收到的神经信号以及电极位点7最近N次的采集信号，计算得到单位时间内神经元Spike的发放率Rate。
刺激效果评估模块8判断发放率Rate是否大于或等于预设的第一发放率阈值ThrA；如果是，则进一步判断发放率Rate是否大于预设的第二发放率阈值ThrB；否则，刺激效果评估模块8将此电极位点7的下次刺激电流设置为：本次刺激电流+ΔI，下次刺激时长设置为：本次刺激时长+Δt；刺激效果评估模块8将下次刺激电流和下次刺激时长更新至刺激效果评估模块8后结束。
如果发放率Rate大于预设的第二发放率阈值ThrB，则刺激效果评估模块8将此电极位点7的下次刺激电流设置为：本次刺激电流-ΔI，下次刺激时长设置为：本次刺激时长-Δt；刺激效果评估模块8将下次刺激电流和下次刺激时长更新至刺激效果评估模块8后结束，否则，直接结束。
其中，根据不同脑区对第一发放率阈值ThrA和第二发放率阈值ThrB设置不同的数值。通常可以在电极首次植入人脑后进行测量得出所需设定数值。具体地，第二发放率阈值ThrB大于第一发放率阈值ThrA。一般将第一发放率阈值ThrA和第二发放率阈值ThrB的关系设置为：ThrB＝ThrA*1.2。
根据所选刺激芯片确定电流差值ΔI和时长差值Δt的数值，一般选择刺激芯片所支持的最精细控制粒度。
本申请实施例提供的刺激参数自动调节装置对植入位置差异、人体体质差异、人体状态差异和相邻位点的神经元连接关系进行综合考虑，在对电极位点7进行神经电刺激时，通过采集电极位点7的神经电信号，分析上次刺激参数产生的刺激效果，调整下次使用的神经电刺激参数；通过采集、评估、选择和刺激输出，能够形成一个闭环的反馈控制回路。当人体状态参数发生变化时，能够快速调整刺激参数；且对于不同的电极位点7可以使用不同的刺激参数来达到相同的刺激效果。以神经元Spike发放率作为刺激效果标准；在刺激某电极位点7前分析此电极位点7神经元上次的刺激效果，动态调整刺激参数，以最小刺激强度实现刺激效果，能够保障电池的续航能力。
基于本申请实施例提供的刺激参数自动调节装置，本申请还提供了一种植入式神经电刺激系统。刺激参数自动调节装置用于调节刺激参数，以根据调整后的刺激参数向电极位点上施加相应的刺激电压或电流。
以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。

Claims (9)

1.一种刺激参数自动调节装置，用于植入式神经电刺激系统中，其特征在于，包括第一多路复用器、第二多路复用器、采集模块、刺激参数存储模块、刺激输出模块、电极位点选择模块、电极位点和刺激效果评估模块；
所述刺激参数存储模块用于存储刺激参数；所述电极位点选择模块从所述刺激参数存储模块获取刺激参数，以控制所述刺激输出模块根据刺激参数产生相应的刺激电压或电流，并对所述第二多路复用器进行通路选择；所述刺激输出模块产生的刺激电压或电流通过所述第二多路复用器施加在相应的所述电极位点上；
所述电极位点选择模块还用于对所述第一多路复用器进行通路选择，并控制所述采集模块通过所述第一多路复用器采集相应所述电极位点的神经信号；所述采集模块对采集到的所述电极位点的神经信号进行模数转换后将结果传输至所述刺激效果评估模块；
所述刺激效果评估模块用于对接收到的结果进行分析，并根据分析结果调整所述电极位点下次的刺激参数；所述刺激效果评估模块将调整后的刺激参数传输至所述刺激参数存储模块进行更新存储。
2.根据权利要求1所述的刺激参数自动调节装置，其特征在于，所述电极位点选择模块按照预设时间间隔依次切换所有所述电极位点，以进行神经电刺激和神经信号采集。
3.根据权利要求2所述的刺激参数自动调节装置，其特征在于，所述电极位点选择模块的工作过程为：
所述电极位点选择模块将所述第二多路复用器的通路设置为n，将所述第一多路复用器的通路设置为n+1；所述电极位点选择模块从所述刺激参数存储模块获取对应第n个所述电极位点的刺激参数，并将所述刺激参数输入至所述刺激输出模块，启动电极刺激，刺激时长为t1；所述电极位点选择模块控制所述采集模块进行神经信号采集，采集时长为t2。
4.根据权利要求3所述的刺激参数自动调节装置，其特征在于，所述刺激效果评估模块的工作过程为：
所述刺激效果评估模块整合本次接收到的神经信号以及所述电极位点最近N次的采集信号，计算得到单位时间内神经元Spike的发放率Rate；
所述刺激效果评估模块判断发放率Rate是否大于或等于预设的第一发放率阈值ThrA；如果是，则进一步判断发放率Rate是否大于预设的第二发放率阈值ThrB；如果发放率Rate大于预设的第二发放率阈值ThrB，则所述刺激效果评估模块将所述电极位点的下次刺激电流设置为：本次刺激电流-ΔI，下次刺激时长设置为：本次刺激时长-Δt；其中，ΔI表示电流差值，Δt表示时长差值，所述刺激效果评估模块将所述下次刺激电流和所述下次刺激时长更新至所述刺激效果评估模块后结束。
5.根据权利要求4所述的刺激参数自动调节装置，其特征在于，如果所述刺激效果评估模块判定发放率Rate小于预设的第一发放率阈值ThrA，则所述刺激效果评估模块将所述电极位点的下次刺激电流设置为：本次刺激电流+ΔI，下次刺激时长设置为：本次刺激时长+Δt；所述刺激效果评估模块将下次刺激电流和下次刺激时长更新至所述刺激效果评估模块后结束。
6.根据权利要求5所述的刺激参数自动调节装置，其特征在于，所述第一发放率阈值ThrA和第二发放率阈值ThrB根据不同脑区设置不同的数值，所述第二发放率阈值ThrB大于第一发放率阈值ThrA。
7.根据权利要求6所述的刺激参数自动调节装置，其特征在于，所述第一发放率阈值ThrA和第二发放率阈值ThrB的关系设置为：ThrB＝ThrA*1.2。
8.根据权利要求5所述的刺激参数自动调节装置，其特征在于，所述电流差值和时长差值的数值根据所选刺激芯片确定。
9.一种植入式神经电刺激系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的刺激参数自动调节装置。
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