CN116212236A - 一种稳态体感诱发电位刺激系统及信号采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稳态体感诱发电位刺激系统及信号采集方法，属于医疗器械领域。本发明的稳态体感诱发电位刺激系统依次包括电刺激输出单元、信号采集单元和信号处理单元，电刺激输出单元内部连接有电源模块、控制模块和电流刺激模块，信号采集单元包括有脑电信号采集模块和肌电信号采集模块，信号处理单元包括有基线矫正模块、滤波模块、平均叠加模块和特征提取模块。本发明提供了一款可转换上肢刺激和下肢刺激、简单小巧、工作稳定的新型体感诱发电位刺激系统，并提供了一种脑电信号和肌电信号同时采集，同时计算分析，并且采用动态基线进行对比计算的信号采集方法。

Description

一种稳态体感诱发电位刺激系统及信号采集方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地说，涉及一种稳态体感诱发电位刺激系统及信号采集方法。
背景技术
作为人体中最活跃最复杂的器官之一，大脑掌管着我们生活中的一切高级神经活动。而我们最简单的抬手，走路等动作都是通过着无数的神经元细胞同步放电而逐步传导，最终在大脑皮层反应。所以脑电信号也就是脑神经组织的电生理活动在大脑皮层表面的总体反应。
而诱发电位是指对感觉器官、感觉神经、感觉通路或者感觉系统有关的任何结构进行刺激，而在中枢神经系统中产生可测出的电位变化。而这种电位变化，既可以通过脑电信号进行表现，也可以通过肌电信号表现。通过研究人体在正常功能状态下和在疾病过程中的诱发电位的变化，在基础生理研究和临床诊断上都有着重要的意义。而体感诱发电位(Somatosensory Evoked Potential，SEP)，不仅在脊柱矫形外科手术中起监督和指导作用，在卒中康复医疗等方面都有重要参考作用。刺激产生后，医生通过观察患者反应和电位潜伏值和幅值来对患者进行诊断，为下一步治疗和康复过程提供有效的判断依据。同时，也可以对颅脑、脊髓损伤患者的功能障碍程度提出医学评定。
为了得到体感刺激时诱发的脑电信号和肌电信号对患者进行充分的观察分析。本发明设计了一款可转换上肢刺激和下肢刺激、简单小巧、工作稳定的新型体感诱发电位刺激系统。并且设计了一种脑电信号和肌电信号同时采集，同时计算分析，并且采用动态基线进行对比计算的信号采集方法。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种体感诱发电位的信号采集方法，使用脑电和肌电同时采集的方式，同时在计算机上进行计算和分析，方便了医务人员对病患进行充分的观察，以达到最优治疗效果。
为此，本发明还设计了一种稳态体感诱发电位刺激系统，以达到上述提出的使用需求，并且致力于设计出一款小巧的、电流强度可控范围较大满足刺激强度要求的、安全的、可同时用于上肢刺激和下肢刺激多通道的稳态体感诱发电位刺激系统。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种稳态体感诱发电位刺激系统，包括：
电刺激输出单元，用于向目标刺激点位输出恒流脉冲刺激电流；
信号采集单元，用于采集脑电信号和肌电信号；
信号处理单元，用于处理采集到的信号，并输出计算分析结果。
其中，电刺激输出单元，包括有电源模块、控制模块和电流刺激模块：
所述电源模块用于将输入电源电压转换成为控制模块和电流刺激模块所需要的工作电压；
所述控制模块向电流刺激模块发送控制信号和电压信号，控制脉冲刺激电流输出的大小、频率和脉宽；
所述电流刺激模块向人体输出脉冲刺激电流以得到体感诱发电位。
其中，信号采集单元，包括有脑电信号采集模块和肌电信号采集模块，分别用于采集脑电和肌电信号；
其中，信号处理单元，包括有基线矫正模块、滤波模块、平均叠加模块和特征提取模块，用于处理采集到的信号，并输出计算分析结果；更具体地，
所述基线矫正模块，用于对采集的原始脑电信号进行基线矫正和眼电伪迹的去除，获得第一脑电信号；
所述滤波模块，分别对第一脑电信号和初始肌电信号进行陷波和带通滤波操作，得到第二脑电信号和第一肌电信号；
所述平均叠加模块，对第二脑电信号和第一肌电信号进行窗宽提取和平均叠加计算，得出第三脑电信号和第二肌电信号；
所述特征提取模块，提取第三脑电信号和第二肌电信号的特征值(潜伏期和幅值)，并进行计算。
作为本发明进一步的方案：所述电流刺激模块输出的脉冲刺激电流为0.2～0.3ms脉宽的方波电流，输出电流大小为0～50mA，输出频率4～6Hz；电刺激器输出分为上肢刺激输出(0～25mA)和下肢刺激输出(25～50mA)两个通道，每个通道分为两个接口，整个电刺激器一共四个输出接口。
作为本发明再进一步的方案：所述控制模块接有LCD显示屏用于实时显示刺激状态、电流大小和电流脉宽大小。
作为本发明再进一步的方案：所述电流刺激模块通过控制模块输出的PWM信号来控制脉冲刺激电流的频率和脉宽大小。
作为本发明再进一步的方案：所述电流刺激模块通过控制模块输出的DAC电压信号和电流刺激模块内部的电阻来控制输出脉冲刺激电流的大小。
本发明的一种稳态体感诱发电位信号采集方法，使用上述装置，包括以下步骤：
第一步，将导电膏均匀涂抹于刺激部位和待测部位，然后将刺激电极和肌电采集电极准确贴在所需刺激和信号采集的部位的皮肤表面，将脑电帽的信号采集电极内填满导电膏，然后佩戴于待测者头部；
第二步，打开电刺激器电源开关，调整初始刺激参数，对待测者进行脉冲电流刺激，观察待测者状态，当观察到明显的手指(上肢刺激)或脚趾颤动(下肢刺激)后，确定刺激强度并在该待测者之后的使用中保持恒定；
第三步，使用第二步中确定后的脉冲刺激电流对待测者进行电流刺激，记录下此时(手术或者康复治疗之前)的特征信号作为原始信号；
第四步，使用第二步中确定后的脉冲刺激电流对待测者再次进行电流刺激，记录下此时(手术或者康复治疗中)的特征信号，将此时的特征信号与原始信号进行比对，提取特征值，计算出幅值和潜伏期的变化。
作为本发明再进一步的方案：将电刺激器进行恒流脉冲方波电刺激之后产生的肌电信号和脑电信号提取至信号处理单元中同时进行计算和综合分析。
作为本发明再进一步的方案：所述信号处理单元先对采集的脑电信号和肌电信号进行基线矫正和去除眼电伪迹，再使用巴特沃斯滤波器进行4阶滤波，再进行平均叠加100～500次，窗宽则根据上肢SEP和下肢SEP的不同而选择50ms(上肢)或者100ms(下肢)；得到处理后信号之后再对其采用共空间模式和多支持向量回归(CSP+M-SVR)进行特征提取和特征分类。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的稳态体感诱发电位刺激系统，具有多通道刺激功能，电流刺激强度可调且可调范围较大，不仅能够进行下肢刺激，也能够进行上肢刺激，满足了分时单侧刺激的要求，并且不需要进行模式的切换即可进行上肢刺激和下肢刺激之间的相互转换。
(2)本发明的稳态体感诱发电位信号采集方法，将进行电刺激之后产生的肌电信号和脑电信号进行同时提取、同时计算、综合分析，得出的结果更加丰富，提高了医护人员对患者的了解，丰富了判断依据，使得治疗效果提升；
(3)本发明的稳态体感诱发电位信号采集方法，使用了动态基线判断的方法，使得特征信号的潜伏期和幅值在刺激之后的变化结果更加的准确。
附图说明
图1为本发明实施例中一种稳态体感诱发电位刺激系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种稳态体感诱发电位刺激系统的程序流程图；
图3为本发明实施例中一种脉冲电流刺激示意图；
图4为本发明实施例中一种信号采集示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例
参阅图1～4，本发明实施例中提供了一种稳态体感诱发电位刺激系统及对应的信号采集方法，具体使用STM32作为所述稳态体感诱发电位刺激系统的电刺激输出单元的主控芯片；通过主控芯片的PWM信号和DAC电压信号的输出，经过电流刺激模块的恒电流电路和光耦电路，从而达到控制脉冲刺激电流输出的脉宽、频率及电流的大小；通过使用PWM信号来控制脉冲刺激电流的频率和脉宽，使用DAC电压信号和电流刺激模块内部的电阻来控制输出脉冲刺激电流的大小(电流大小输出公式为I_d＝(R_32*V_DAC)/((R_33+R_32)R_S)，其中R32、R33和RS为电流刺激模块内部的电阻，R32＝R33＝5KΩ,RS＝33Ω，其中VDAC通过单片机DAC电压信号输出控制大小)，这样就可以得到0～50mA的恒流源输出。所述电刺激输出单元的工作电压由电源模块提供，将5000mAh的可充电聚合物锂电池提供的5V电压转为控制模块所需的3.3V工作电压和电流刺激模块所需的24V和110V工作电压。各模块之间通过PCB的内部走线连接在一起。所述稳态体感诱发电位刺激系统的信号采集单元分别通过脑电帽和肌电采集电极片对脑电和肌电信号进行采集，并通过脑电信号采集单元和肌电信号采集单元的蓝牙模块将原始信号传输至信号处理单元。所述稳态体感诱发电位刺激系统的信号处理单元在得到初始信号之后，将脑电信号和肌电信号通过基线矫正模块、滤波模块、平均叠加模块和特征提取模块之后得到所需的特征信号。
本实施例该稳态体感诱发电位刺激系统的工作原理是：如图1所示，电刺激输出单元中的电源模块(DC Power)为电流刺激模块和控制模块提供工作电压；所述控制模块用于向电流刺激模块发送控制信号和电压信号，控制脉冲刺激电流输出的大小、频率和脉宽；所述电流刺激模块，用于向人体输出脉冲刺激电流以得到体感诱发电位。当脉冲刺激电流对人体产生恒流刺激之后，再使用信号采集单元中的脑电信号采集模块和肌电信号采集模块对体感诱发电位信号进行采集并将原始信号传输至信号处理单元中进行处理分析。在经过信号处理单元中的基线矫正模块、滤波模块、平均叠加模块和特征提取模块处理之后得到目标特征信号，将第一次采集的特征信号作为基线信号，将后续采集的特征信号与基线信号进行对比计算从而得出体感诱发电位的幅值和潜伏期的变化。
图2为稳态体感诱发电位刺激系统的使用流程图。当被测者穿戴好相关采集设备，贴好刺激电极之后，便可以打开电流刺激输出单元的电源开关。观察被测者的刺激反应之后(刺激电流的刺激强度是因人而异的，应由监护人员事先调整好刺激强度，使得刺激过程中可以看到被刺激者明显的手指(上肢刺激)或脚趾颤动(下肢刺激)，一般上肢部位电刺激强度范围10～30mA，下肢30～50mA)，确定其电流值并在之后的整个过程中保持稳定；随后在确定被测者未经麻醉，状态稳定后对其进行第一次信号采集，并将第一次信号采集作为基线信号。随后在术中或者是监测过程中进行第二次信号采集，并将第二次采集到的信号与基线信号进行对比计算，观察其潜伏值和幅值变化。如果超出报警阈值(一般来说，当幅值降低50％或潜伏期延长10％又或者幅值缓慢降低60％或幅值在30min内快速降低30％的情况出现，就达到了报警阈值)，则立即报警并停止一切操作。当未出现报警时，也可以根据被测者情况接着进行第三次信号采集、第四次信号采集等，具体采集次数，则根据被测者监护时间的长短进行判断。当采集完成之后，可监护人员结束采集。
如图3所示，为电流刺激示意图；包含上肢体感诱发电位刺激和下肢体感诱发电位刺激，其中上肢体感诱发电位刺激的经皮刺激表面电极应该放置在手腕处沿正中神经或尺神经走行的皮肤上，刺激电极的阳极放置在腕横纹处，阴极放置和阳极放置间距2-3cm。而下肢体感诱发电位刺激的位置与上肢刺激不同，恒流电刺激应施加在胫后神经上。刺激电极放置在内踝后侧，跟腱后缘与内踝之间的中线位置，其中刺激电极的阴极置于跟腱中点位置，阳极置在阴极上端间距3cm。下肢SEP的外周神经刺激也可以选择腓神经或坐骨神经。不管是上肢刺激还是下肢刺激都应该在使用前涂抹导电凝胶，以期得到较好的监测数据。另外，SEP监护要求分侧刺激，即左右侧分时单独刺激，因为术中脊髓损伤往往来自单侧，如果用两侧同时刺激所记录的SEP可能会掩盖单侧损伤所造成的波形变化。
如图4所示，为信号采集的示意图；可以进行上肢和下肢的体感诱发电位信号采集，同时采集其脑电信号和肌电信号。其中脑电采集模块和肌电采集模块均采用蓝牙无线传输，保证了信号的完整性和实时性，可以通过计算机进行计算分析。在进行上肢SEP时，脑电采集的头皮电极放置是依据国际上通用的10-20系统，将头皮电极放置在C3’、C4’和C2棘突；肌电信号采集点根据医护人员所想判断的神经回路所放置；进行下肢SEP时，将头皮电极放置在Cz和C2棘突。
肌电信号采集点的放置位置也根据上肢体感诱发电位采集和下肢体感诱发电位采集进行区分。在进行上肢SEP时,可将信号采集电极片贴于小指伸肌、指伸总肌或肱桡肌等肌群处，具体点位可自行判断；进行下肢SEP时，可将信号采集电极片贴于小腿肌后群处，具体点位也可以由监护人员自行判断。
当信号采集完毕，由稳态体感诱发电位刺激系统的信号采集单元传输至信号处理单元中，对采集的原始信号进行相关处理和计算。
对采集到的脑电信号和肌电信号进行分别处理，集中计算。对于初始脑电信号，先进行基线矫正和独立成分分析(ICA)去除眼电伪迹后得到第一脑电信号；再对其进行工频50Hz陷波和1～30Hz滤波处理，其中可使用4阶巴特沃斯滤波器器对其进行带通处理，以得到第二脑电信号；最后对其进行平均叠加100～500次，上肢SEP的扫描窗宽在0～50ms，下肢SEP的扫描窗宽在0～100ms。使用得到处理后信号之后再对其采用共空间模式和多支持向量回归(CSP+M-SVR)进行特征提取和特征分类。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种稳态体感诱发电位刺激系统，其特征在于，包括：
电刺激输出单元，用于向目标刺激点位输出恒流脉冲刺激电流；
信号采集单元，用于采集脑电信号和肌电信号；
信号处理单元，用于处理采集到的信号，并输出计算分析结果。
2.根据权利要求1所述的一种稳态体感诱发电位刺激系统，其特征在于：所述电刺激输出单元包括：
电源模块，用于将输入电源电压转换成为控制模块和电流刺激模块所需要的工作电压；
控制模块，向电流刺激模块发送控制信号和电压信号，控制脉冲刺激电流输出的大小、频率和脉宽；
电流刺激模块，用于向人体输出脉冲刺激电流以得到体感诱发电位。
3.根据权利要求1所述的一种稳态体感诱发电位刺激系统，其特征在于：所述信号采集单元包括脑电信号采集模块和肌电信号采集模块，分别用于采集脑电和肌电信号。
4.根据权利要求1所述的一种稳态体感诱发电位刺激系统，其特征在于：所述信号处理单元包括：
基线矫正模块，用于对采集的原始脑电信号进行基线矫正和眼电伪迹的去除，获得第一脑电信号；
滤波模块，分别对第一脑电信号和初始肌电信号进行陷波和带通滤波操作，得到第二脑电信号和第一肌电信号；
平均叠加模块，对第二脑电信号和第一肌电信号进行窗宽提取和平均叠加计算，得出第三脑电信号和第二肌电信号；
特征提取模块，提取第三脑电信号和第二肌电信号的特征值，并进行计算。
5.根据权利要求2所述的一种稳态体感诱发电位刺激系统，其特征在于：所述电流刺激模块输出的脉冲刺激电流为0.2～0.3ms脉宽的方波电流，输出电流大小为0～50mA，输出频率4～6Hz，电刺激器输出分为上肢刺激输出和下肢刺激输出两个通道，每个通道分为两个接口，整个电刺激器一共四个输出接口。
6.根据权利要求2所述的一种稳态体感诱发电位刺激系统，其特征在于：所述控制模块接有LCD显示屏用于实时显示刺激状态、电流大小和电流脉宽大小。
7.根据权利要求2所述的一种稳态体感诱发电位刺激系统，其特征在于：所述电流刺激模块通过控制模块输出的PWM信号来控制脉冲刺激电流的频率和脉宽大小；电流刺激模块通过控制模块输出的DAC电压信号和电流刺激模块内部的电阻来控制输出脉冲刺激电流的大小。
8.一种稳态体感诱发电位信号采集方法，其特征在于，使用如权利要求1～7中任一项所述的刺激系统，包括以下步骤：
第一步，将导电膏均匀涂抹于刺激部位和待测部位，然后将刺激电极和肌电采集电极准确贴在所需刺激和信号采集的部位的皮肤表面，将脑电帽的信号采集电极内填满导电膏，然后佩戴于待测者头部；
第二步，打开电刺激器电源开关，调整初始刺激参数，对待测者进行脉冲电流刺激，观察待测者状态，当观察到明显的手指或脚趾颤动后，确定刺激强度并在该待测者之后的使用中保持恒定；
第三步，使用第二步中确定后的脉冲刺激电流对待测者进行电流刺激，记录下此时治疗之前的特征信号作为原始信号；
第四步，使用第二步中确定后的脉冲刺激电流对待测者再次进行电流刺激，记录下此时治疗中的特征信号，将此时的特征信号与原始信号进行比对，提取特征值，计算出幅值和潜伏值的变化。
9.根据权利要求8所述的稳态体感诱发电位信号采集方法，其特征在于：电刺激器进行恒流脉冲方波电刺激之后产生的肌电信号和脑电信号提取至信号处理单元中同时进行计算和综合分析。
10.根据权利要求8所述的稳态体感诱发电位信号采集方法，其特征在于：计算幅值和潜伏值变化的具体过程为：使用巴特沃斯滤波器进行4阶滤波，再进行平均叠加100～500次，窗宽选择50或100ms；得到处理后信号之后再对其采用共空间模式和多支持向量回归进行特征提取和特征分类，将原始信号作为基线，将特征信号与基线对比计算，从而得出动态基线下的幅值和潜伏值变化。
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