[发明专利]抗癫痫电刺激硬件在环仿真系统

说明书

本发明为抗癫痫电刺激硬件在环仿真系统，其中：该仿真系统包括癫痫脑电实时发生器、信号采集模块、电刺激控制器以及上位机四个部分。癫痫脑电实时发生器将输入的癫痫患者脑电信号通过数据驱动辨识策略和模型的嵌入式实现，转化为癫痫样放电信号，并进行信号采集与处理，通过基于无迹卡尔曼滤波器的PI闭环控制策略抑制个性化神经集群模型的癫痫样放电，各模块的程序流程采用C语言编程实现，编译下载到DSP中，并通过LabVIEW平台完成上位机与电刺激控制器的通讯，上位机主要用于数据通信与波形显示，实现显示控制效果。该仿真系统的有益效果是该系统实现了电刺激闭环控制策略的实时仿真验证，对癫痫闭环控制临床化具有重要推动作用。

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术，特别是一种抗癫痫电刺激硬件在环仿真系统。

背景技术

癫痫是世界上最常见的神经系统疾病之一，癫痫发作的特征是一大群神经元异常同步放电导致的脑电活动异常，可在患者脑电图中捕捉得到，并据此进行癫痫检测、定位和诊断。如今在全球有5千万癫痫患者，其中约1/4不能通过药物或外科手术得到有效治疗，这些癫痫称为难治性癫痫。抗癫痫药物在治疗过程中易产生耐药性、依赖性和副作用。手术切除局部病灶区虽然对局部癫痫有治疗效果，但手术治疗过程不可逆，还可能产生记忆损失、语言障碍等风险，也不适用于全脑发作癫痫。

针对难治性癫痫，电磁刺激疗法具有明显优势，其不会对特定脑区造成损毁，破坏性比手术治疗小，且没有抗癫痫药物和手术的副作用。目前，现有的电磁刺激方案多为开环刺激，在开环策略下，无法根据个体特异性以及病程发展实时调整参数，刺激优化十分困难。相比开环刺激而言，将能够反映癫痫状态且可观测的电生理信号作为反馈构建闭环的控制策略，对患者间个性化差异(脑结构、电极植入位置及脑状态等)具有鲁棒性，有助于提升临床抗癫痫发作的成功率。近年来，如何建立针对患者的个体化刺激-脑响应计算模型刻画刺激信号对神经活动的影响，在此基础上设计合适的闭环控制策略成为抗癫痫电刺激优化的重要科学问题。若将癫痫的闭环控制算法应用在患者身上，需要一种能模拟临床真实环境的硬件在环仿真系统，该系统的各项性能指标应与临床实验相同，从而广泛实时验证抗癫痫发作闭环控制器的控制效果。

硬件在环仿真技术是指在进行系统测试时，控制器是真实的，其余部分尽量模拟实际，无法模拟时采用实时的数字化模型来模拟控制器的外部环境，进行整个系统的测试及性能验证。目前用于神经控制工程领域里的硬件在环仿真平台较为罕见。

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抗癫痫电刺激硬件在环仿真系统，相比直接对患者进行实验而言，硬件在环仿真可模拟接近真实环境下的实验条件，能反复进行控制算法的验证工作，大大降低了临床实验的风险，对临床前优化电刺激具有重要推动作用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，提供一种抗癫痫电刺激硬件在环仿真系统，其特征是：该仿真系统还包括癫痫脑电实时发生器(2)、信号采集模块(18)、电刺激控制器(25)和上位机(38)，

癫痫脑电实时发生器(2)用于通过癫痫患者脑电数据驱动辨识得到该癫痫脑电患者的生理模型中的个性化模型参数，进而将个性化模型参数加载到神经集群模型中，复现癫痫样放电信号(17)；

信号采集模块(18)用于将癫痫脑电实时发生器(2)产生的放电信号(17)转换为与真实癫痫患者脑电信号具有相同幅频特性的模拟脑电信号，并将实时采集的模拟脑电信号转换为离散的数字信号，输出给电刺激控制器(25)；

电刺激控制器(25)用于获取信号采集模块输出的数字信号，并对该数字信号进行滤波处理后，使用无迹卡尔曼滤波器进行个性化神经集群模型参数辨识与估计，通过PI控制律计算出抗癫痫刺激信号，施加给癫痫脑电实时发生器(2)，完成复现临床癫痫患者受到电刺激后的真实响应；

上位机(38)包括人机交互界面(39)，上位机(38)通过LabVIEW编程实现人机交互界面(39)，并通过SCI串口通信模块(37)与电刺激控制器(25)进行数据交互，完成数据通信与波形显示。