[发明专利]基于相响应曲线的最优闭环DBS治疗系统

说明书

本发明提供一种基于相响应曲线的最优闭环DBS治疗系统，包括双向多电极神经接口、局部场电势检测、数据处理上位机、刺激脉冲生成。双向多电极神经接口在刺激的同时记录神经信号。局部场电势检测由前置放大器、滤波器、模数转换器组成，将电极处的微伏级信号放大并滤波，转换成数字量传入上位机。数据处理上位机采用matlab，重构神经元的相响应曲线和瞬时相位，当瞬时相位落于相响应曲线的相敏感区间，发出指令到脉冲生成部分。脉冲生成部分由嵌入式微处理器、数模转换器、多路复用器组成，微处理器生成的脉冲，通过数模转换由多路复用器传递到刺激电极。有益效果是该系统根据神经元的相响应曲线构建闭环DBS，在相敏感区间施加刺激，获得能量最优的DBS。

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术，特别是一种基于相响应曲线的最优闭环DBS治疗系统。

背景技术

深部脑刺激DBS是一种治疗帕金森病的非常有效的外科手段，它采用植入的电极输出高频的电脉冲刺激大脑基底核部位，能显著改善帕金森病的运动障碍。然而，目前的DBS治疗是一种开环的模式，在一个治疗周期内，DBS设备连续不断地输出高频高幅电脉冲刺激基底核区域，不能根据疾病治疗状态做出实时的参数调整。因此，可能造成过量的刺激，产生治疗的副作用和风险，例如，过度刺激会对神经组织造成损伤，从而影响认知和记忆功能。同时，过度刺激会加快植入式设备的电池损耗，进而需要手术更换电池，增加了额外的手术风险。

大量实验和理论的研究表明，闭环DBS的治疗方式能增加DBS的有效性，减少治疗的副作用和风险。例如，有实验研究发现在治疗灵长类动物的帕金森病中，根据检测到的皮层峰放电触发基底核的刺激比传统的开环刺激更有效。还有一些实验发现根据检测到的局部场电势滤波出的beta振荡的幅值构造闭环DBS能有效减少DBS的能耗。然而，尽管闭环DBS的有效性得到了实验和理论的验证，但由于DBS的治疗机制尚未完全清楚，目前最优的DBS模式仍然无法确定。

从能耗的角度，构造一个最优的闭环DBS系统，一个是需要找到能准确反应病人疾病状态的生物标识，另一个是通过控制技术在特定时刻施加刺激，以达到用最小的能耗实现最大的治疗效果。越来越多的实验研究表明基底核区域病理性的同步振荡是帕金森病的电生理特征，DBS的治疗机制之一可能是通过电刺激去除该区域的病理性同步振荡。另一方面，神经元的相响应曲线是神经元的固有属性，能描述外部刺激施加在神经元一个动作电位周期内的不同时刻时，对神经元下一个放电时刻的影响效果。而相响应曲线的峰值描述的就是当外部刺激在该时段施加时，能最大程度地影响神经元的下一个放电时刻（推迟或提前）。我们将这一段相区间称为相敏感区，则对于同步的神经元网络来说，如果在神经元的相敏感区施加外部刺激，能以最小的代价获得最大的网络去同步效果。因此，根据神经元的这一固有特征，我们提出了一个基于神经元相响应曲线的最优闭环DBS治疗系统，通过在神经元的相敏感区间施加刺激，能以最小的代价获得最优的网络去同步效果，极大地减少了DBS的能耗。

发明内容

针对上述需要解决的问题，本发明的目的是提供一种基于相响应曲线的最优闭环DBS治疗系统，使实验人员可以根据神经元的相响应曲线特点控制DBS的施加时刻，能够减少DBS能耗，为智能DBS的临床应用提供重要的理论依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于相响应曲线的最优闭环DBS治疗系统，其中：该系统包含双向多电极神经接口、前置放大器、滤波器、模数转换器、数据处理上位机、嵌入式微处理器、数模转换器、多路复用器。双向多电极神经接口既能刺激神经组织，又能记录刺激电极附近的神经信号，前置放大器能够将电极采集的微伏级信号放大使其与刺激信号分离开，滤波器可以将放大的神经信号进行整流和滤波，获得期望频率带的振荡信号，模数转换器将滤波后的信号转换成数字量传递到上位机进行进一步的数据分析与处理，上位机采用matlab软件对数据进行分析，确定施加刺激的特定时刻，在该时刻将控制指令发送至嵌入式微处理器，嵌入式微处理器生成特定的刺激脉冲，通过数模转换器和多路复用器将脉冲信号直接传递至刺激电极。