一種用於癲癇治療的閉環系統的製作方法
2023-12-03 01:33:21 1
一種用於癲癇治療的閉環系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於癲癇治療的閉環系統，包括腦電信號放大模塊、控制單元、刺激模塊、視頻模塊；所述腦電信號放大模塊採集被測對象的腦電信號，經過控制單元判斷腦電信號狀態，控制刺激模塊產生脈衝電流刺激被測對象，抑制癲癇發作，從而實現閉環調控；本發明具有實時通過放大器獲得高採樣率多通道數據並進行實時繪製、通過腦電信號進行癲癇預警、預警後自動通過指定參數的電刺激進行癲癇抑制等功能；本發明為難治性癲癇患者提供一種閉環的電刺激治療系統，有效降低癲癇發作次數，減輕癲癇發作強度，提高患者的生活質量。
【專利說明】一種用於癲癇治療的閉環系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於臨床醫學和神經系統【技術領域】，尤其涉及一種用於癲癇治療的閉環系統。
【背景技術】
[0002]癲癇是一種常見的、多發的慢性神經系統疾病，可引起運動、感覺、意識和行為等功能障礙，嚴重影響患者的工作和生活，對家庭和社會帶來了極大的精神和經濟負擔。我國有近1000萬癲癇患者，其中20%為難治性癲癇。在難治性癲癇中有一半可進行外科治療，而對於不適合手術或者不能接受手術治療的藥物難治性癲癇患者，通過電刺激治療可能得到控制和減輕發作的效果。
[0003]在眾多的電刺激方法中，一種閉環的反應性電刺激技術正在成為國內外癲癇診療研究的熱點，該方法提供實時的腦電檢測癲癇預測，對可能的癲癇發作腦區進行電刺激實現癲癇抑制。相比手術節除，該方法具有一些潛在的優勢[Osor1等]:(1)可逆性:大部分副作用可以通過終止治療或者改變刺激參數而加以控制；(2)可調節性:可以根據患者的需要在一個很大的範圍內加以調整改變；(3)多個部位可以被一個單一的靶點所影響；(4)無法安全切除的病灶部位也可以被刺激。儘管反應性電刺激存在很多優點，以下問題依然尚未解決:電刺激治療療痛的作用機制仍不清楚；在各種不冋的動物實驗和臨床研究中治療效果很不一致；癲癇預警、最佳刺激時機、刺激參數和刺激部位等重要問題尚不明確。
[0004]目前，美國Neuropace公司生產的「反應性電刺激治療癲癇系統」(美國專利編號:20110004268)在售價約為3萬美元，預計該系統在中國售價20萬人民幣左右，造成一批癲癇病人因經濟原因而放棄反應性電刺激這一安全有效的療法。如果每年中國有1000位患者接受反應性電刺激治療，將花費2億人民幣。本發明用於癲癇治療的閉環系統，探索快速有效的癲癇預警方法，發展反應性電刺激癲癇抑制技術，有利於提高國人健康水平，促進衛生事業的發展，並有助於擺脫高端儀器設備長期依賴進口的局面，具有重大的社會效益及經濟價值。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種用於癲癇治療的閉環系統。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種用於癲癇治療的閉環系統，包括:腦電信號放大模塊、控制單元、刺激模塊、視頻模塊；所述腦電信號放大模塊採集被測對象的腦電信號，經過控制單元判斷腦電信號狀態，控制刺激模塊產生脈衝電流刺激被測對象；
腦電信號放大模塊:多通道並行採集、放大癲癇腦電Electrocorticogram(ECoG)信號;
視頻模塊:對被測對象進行視頻採集，記錄癲癇發作形式；
控制單元:包括顯示波形模塊、參數設置模塊、癲癇預警模塊和刺激控制模塊；對腦電信號放大模塊、視頻模塊和刺激模塊進行控制；
顯示波形模塊:包括腦電信號放大模塊數據讀取，波形繪製，數據記錄三個主要部分，具體為:首先從腦電信號放大模塊調用放大器本身的數據讀取API，實時地將數據緩存到一塊內存空間中，即維護一塊緩衝區，每隔40ms按照設定的參數順序對緩衝區的數據進行繪製，所述參數包括邏輯通道數、邏輯通道名稱、邏輯通道運算方法、每頁顯示通道數、繪製靈敏度、繪製時間基準、濾波參數；所述濾波參數包括高通、低通和帶阻三種模式；最後從緩衝區裡順序取出400ms的數據以二進位文件格式保存，對於參數的設置以二進位文件記錄到文件頭當中，視頻模塊同步採集的視頻數據存儲為.avi格式的視頻文件；
參數設置模塊:對軟硬體接口參數和界面顯示參數進行設置，所述軟硬體接口參數包括:腦電信號放大模塊參數、刺激模塊參數、視頻模塊參數，所述界面顯示參數包括:波形顯示參數、濾波參數、標尺參數；
癲癇預警模塊:通過對數據的實時解析，判斷某個時刻是否開始癲癇發作，具體為:應用腦電信號波幅的平方的累加表示信號的能量，將某個時間窗內的能量均值作為該時間窗的特徵值，當上述特徵值超過設定的閾值時，則認為癲癇發作，進行報警以及抑制刺激；刺激控制模塊:通過串口發送命令，與刺激模塊通信，包括對刺激模塊的控制、刺激模塊參數的設置、刺激模塊命令收發；
刺激模塊:輸出恆定電流，對被測對象進行電流刺激。
[0007]本發明的有益效果是，本發明具有實時通過放大器獲得高採樣率多通道數據並進行實時繪製、通過腦電信號進行癲癇預警、預警後自動通過指定參數的電刺激進行癲癇抑制等功能。本發明為難治性癲癇患者提供一種閉環的電刺激治療系統，有效降低癲癇發作次數，減輕癲癇發作強度，提高患者的生活質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明用於癲癇治療的閉環系統的原理框圖；
圖2為本發明控制單元顯示波形功能劃分；
圖3為本發明控制單元參數設置功能細化；
圖4為本發明控制單元癲癇預警功能細化；
圖5為本發明控制單元刺激功能細化；
圖6為本發明刺激模塊的恆定電流發生電路圖；
圖7為本發明刺激模塊的模擬開關電路圖；
圖8為本發明刺激模塊的主控晶片電路圖。
【具體實施方式】
[0009]如圖1所示，本發明一種用於癲癇治療的閉環系統，在癲癇模型上進行測試，包括腦電信號放大模塊、控制單元、刺激模塊、視頻模塊；所述腦電信號放大模塊採集被測對象的腦電信號，經過控制單元判斷腦電信號狀態，控制刺激模塊產生脈衝電流刺激被測對象。
[0010]腦電信號放大模塊:多通道並行採集、放大癲癇腦電ECoG信號。
[0011]視頻模塊:對被測對象進行視頻採集，記錄癲癇發作形式。
[0012]控制單元:控制單元的功能需求被分為4個模塊:顯示波形模塊、參數設置模塊、癲癇預警模塊和刺激控制模塊，其中關鍵模塊在于波形的顯示，顯示波形模塊一方面從腦電信號放大模塊中讀取數據包並進行解析，另一方面負責按照既定要求進行繪製，此外，還需要進行數據文件的存儲。參數設置模塊，包括腦電信號放大模塊、攝像頭、刺激器等外部設備的參數設置，同時包括顯示參數例如通道名稱、每頁通道數以及繪製靈敏度。為了方便用戶能夠將所需要的參數記錄下來以便下次使用，這裡允許通過配置文件存取的方式，進行參數的讀取和保存。癲癇預警模塊通過對數據的實時解析，判斷每個時刻是否開始癲癇發作。刺激控制模塊，用於對刺激模塊的控制。現對各模塊進行具體說明:
顯示波形模塊:包括腦電信號放大模塊數據讀取，波形繪製，數據記錄三個主要部分；對於每一次數據讀取和繪製，數據源初始化只進行一次，只要數據源連接，並且用戶未停止，系統將循環進行數據包的讀取、繪製、保存操作，如圖2所示，波形繪製的主要工作流程為:維護一個緩衝區，每隔40ms按照設定的參數順序對緩衝區的數據進行繪製，其需要遵照的參數包括邏輯通道數、邏輯通道名稱、邏輯通道運算方法、每頁顯示通道數、繪製靈敏度、繪製時間基準、濾波參數(高通、低通、帶阻)等。數據記錄將波形數據、設置數據和視頻等數據記錄到文件中。波形繪製完成後，從緩衝區裡順序取出400ms的數據以二進位文件格式保存，視頻文件單獨記錄，格式為.avi，與數據文件同步，設置數據以文本文件統一記錄。
[0013]參數設置模塊:如圖3所示，系統參數又分為軟硬體接口參數(包括放大器參數、刺激器參數、攝像頭參數)，以及界面顯示參數(包括波形顯示參數、濾波參數、標尺參數等)兩大類。
[0014]癲癇預警模塊:通過對數據的實時解析，判斷某個時刻是否開始癲癇發作，具體為:應用腦電信號波幅的平方的累加表示信號的能量，假設
dj(k)表示腦電信號第k個點的波幅，j表示第j個時間窗，則在此可以定義，該時間窗內腦電信號的平均能量馬為:
Σ 剛)3 ,、
_ ⑴
3 ?-?
其中X Λ分別為第j個時間窗的起始時間點和結束時間點，本發明時間窗長度為
2s0
[0015]將某個時間窗內的能量均值作為該時間窗的特徵值，當上述特徵值超過設定的閾值時，則認為癲癇發作，進行報警以及抑制刺激，如圖4所示。
[0016]刺激控制模塊:通過串口發送命令，與刺激模塊通信，包括對刺激模塊的控制、刺激模塊參數的設置、刺激模塊命令收發；對於癲癇抑制電刺激，一般採用一個或幾個固定參數刺激，而參數具體設置因病人而異。因此，刺激參數應當隨配置文件進行存取，並且在文件中進行記錄。每當給以一個刺激，面板上應當以顯式的標籤進行標示，同時記錄刺激時間記錄在文件當中，以備分析，如圖5所示。
[0017]刺激模塊:輸出恆定電流，對被測對象進行電流刺激。所述刺激模塊以精密儀表放大器AD620和運算放大器opa2140為核心組成恆定電流發生電路，如圖6所示；輸出電流由模擬開關DG409轉化為電脈衝，如圖7所示；主控晶片C8051F005與PC機進行通信，設定脈衝的參數，如圖8所示。
【權利要求】
1.一種用於癲癇治療的閉環系統，其特徵在於，包括:腦電信號放大模塊、控制單元、刺激模塊、視頻模塊；所述腦電信號放大模塊採集被測對象的腦電信號，經過控制單元判斷腦電信號狀態，控制刺激模塊產生脈衝電流刺激被測對象； 腦電信號放大模塊:多通道並行採集、放大癲癇腦電ECoG信號； 視頻模塊:對被測對象進行視頻採集，記錄癲癇發作形式； 控制單元:包括顯示波形模塊、參數設置模塊、癲癇預警模塊和刺激控制模塊；對腦電信號放大模塊、視頻模塊和刺激模塊進行控制； 顯示波形模塊:包括腦電信號放大模塊數據讀取，波形繪製，數據記錄三個主要部分，具體為:首先從腦電信號放大模塊調用放大器本身的數據讀取API，實時地將數據緩存到一塊內存空間中，即維護一塊緩衝區，每隔40ms按照設定的參數順序對緩衝區的數據進行繪製，所述參數包括邏輯通道數、邏輯通道名稱、邏輯通道運算方法、每頁顯示通道數、繪製靈敏度、繪製時間基準、濾波參數；所述濾波參數包括高通、低通和帶阻三種模式；最後從緩衝區裡順序取出400ms的數據以二進位文件格式保存，對於參數的設置以二進位文件記錄到文件頭當中，視頻模塊同步採集的視頻數據存儲為.avi格式的視頻文件； 參數設置模塊:對軟硬體接口參數和界面顯示參數進行設置，所述軟硬體接口參數包括:腦電信號放大模塊參數、刺激模塊參數、視頻模塊參數，所述界面顯示參數包括:波形顯示參數、濾波參數、標尺參數； 癲癇預警模塊:通過對數據的實時解析，判斷某個時刻是否開始癲癇發作，具體為:應用腦電信號波幅的平方的累加表示信號的能量，將某個時間窗內的能量均值作為該時間窗的特徵值，當上述特徵值超過設定的閾值時，則認為癲癇發作，進行報警以及抑制刺激；刺激控制模塊:通過串口發送命令，與刺激模塊通信，包括對刺激模塊的控制、刺激模塊參數的設置、刺激模塊命令收發； 刺激模塊:輸出恆定電流，對被測對象進行電流刺激。
【文檔編號】A61N1/36GK104173044SQ201410401960
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】張建民, 朱君明, 鄭宇新, 祁玉, 王躍明, 張韶敏, 馬費強, 鄭筱祥 申請人:浙江大學醫學院附屬第二醫院