用于优化DBS编程的方法和系统技术方案

一种方法和系统，用于根据位于患者的大脑的一个预定区域中的定向传感器引线沿着多个不同的方向测量的定向LFP信号，确定以用于刺激所述区域的参数对定向多电极刺激引线进行编程的优化的患者特定的编程参数。该方法包括：在至少一个预定频率范围内，为每个定向LFP信号确定功率‑频率变化曲线；在功率‑频率变化曲线上识别出至少一个频率峰；检测所述至少一个识别的频率峰中的一个峰，在所述峰处发生了定向LFP信号之间的信号功率的最大差；以及，基于在检测到的频率峰的频率处的定向LFP信号的相对信号功率，确定用于定向刺激引线的多个方向加权的刺激指数。

Method and System for Optimizing DBS Programming

A method and system for determining patient-specific programming parameters for programming directional multi-electrode stimulus leads according to directional LFP signals measured in different directions by directional sensor leads located in a predetermined region of the patient's brain. The method includes: determining the power frequency change curve for each directional LFP signal in at least one predetermined frequency range; identifying at least one frequency peak on the power frequency change curve; detecting one peak in the at least one identified frequency peak where the maximum difference of signal power between directional LFP signals occurs; and, based on the detected signal power, identifying at least one frequency peak. The relative signal power of the directional LFP signal at the frequency of the frequency peak determines the stimulus index weighted in multiple directions for directional stimulus leads.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于优化DBS编程的方法和系统
本专利技术涉及深部脑刺激(DBS)领域，其可用于例如减轻诸如帕金森病(PD)的病症的症状。特别地，本专利技术涉及一种用于编程定向深部脑刺激电极的刺激方案的优化参数的确定方法。
技术介绍
深部脑刺激(DBS)是晚期帕金森病(PD)患者的一种经过验证的治疗选择，可包括将DBS导联插入目标大脑区域，如丘脑底核(STN)，苍白球内侧(GPi)或丘脑，使得可以用电流来治疗PD患者的疾病相关运动症状。DBS的空间选择性对临床结果的质量至关重要；首先，空间选择性有助于确保用于治疗刺激的区域的准确瞄准。其次，它有助于避免对邻近部位的不希望的有害刺激。已知的是，使用具有也称为触点的四个圆柱形电极的四极DBS引线，该四个圆柱形电极沿其长度布置在连续的轴向部分中，即每次具有一个电极的四个轴向部分。这种电极可以使用已知的导航技术定位；术后，操作者手动测试四个电极，以识别最佳定位于目标区域的电极。通过将四极电极引入两个大脑半球的每个目标区域(例如，右和左GPi、STN、丘脑)，该过程通常可以如下地进行：使用不同的刺激参数测试两个大脑半球中的所有电极，同时通过采访患者和通过神经学检查来评估所产生的临床效果和副作用。在进行该过程之前，患者通常会从他/她的药物治疗退出。可以修改四个主要变量来配置刺激：a)有效电极的选择及其极性，b)刺激幅度(电压或电流)，c)频率(Hz)和d)脉冲宽度(微秒)。选择第一电极并且以0.5V(或0.5mA)步长缓慢加大刺激幅度(电压或电流)，同时刺激频率和脉冲宽度分别保持固定在130Hz和60psec。在某些参数配置下静置2至5分钟后，通过询问患者和进行神经学检查来确定效果和副作用。刺激幅度的逐步加大被继续进行，直到发生限制性副作用。对应没有表现出限制性副作用的最佳临床效果的刺激幅度，即次最大刺激，将被记录。对其余的接触完成相同的测试，然后对对侧半球重复整个接触测试程序。在这种扩展的临床接触测试结束时，对不同的接触，按照临床效果和按照阈值，并按照其中出现副作用的刺激参数，被有效地进行排序。然而，上述现有技术的接触测试手动方法的缺点，是需要长的时间(每个引线3到5个小时)，且通常需要重复这个冗长，耗时的过程。因此，该程序需要经过长时间反复训练的神经科医生和/或高技能专业护士的参与。对于患者而言，冗长的过程也是高度疲劳的，并且由于患者的疲劳和具有持续不利后果的长期停药，结果通常是次优的。此外，在针对刺激参数的特定选择的临床观察期间，可能不会产生可用于通知编程决策的一些临床效果。当仅依赖于刺激的短期效应时，在选择刺激参数时可能做出错误的决定。因此，在许多情况下，必须一次又一次地重新评估刺激效果，通常是在较长的时间段内，这可能需要住院患者入院。因此，如上所述，已知方法涉及评估众多可能的不同刺激参数中症状缓解的最佳配置的手动尝试。通过根据上述评估过程编程的植入脉冲发生器(IPG)和DBS电极提供的刺激，减轻患者的症状。如果评估的参数被证明是无效的，则随后可能需要进一步对IPG进行重新编程，并且每次重新编程都需要为患者进行进一步的临床过程。选择最佳位置的刺激触点，是对每个患者的DBS编程的关键步骤。上述手动筛选程序对于医务人员来说非常耗时，对患者来说是疲劳的，并且结果通常是次优的。因此，该过程通常必须重复几次，才能确定出令人满意的刺激参数/触点配置。不幸的是，对一些患者，通常由于缺乏专业性或时间而无法获得最佳的刺激编程。现有技术已经提出，使用定向多电极DBS引线来实现定向刺激。例如，EP2626109公开了一种定向多电极引线。一个简单的例子如图1所示，并将用作本专利技术的以下描述中的说明性示例。图1中所示的引线具有八个电极(触点)，它们布置在四个轴向部分中，这四个轴向部分类似于上述的四极引线的部分。然而，定向电极的第二和第三轴向部分每个都包括圆周圆柱形表面段形式的三个触点31，32,33和41、42、43，从而允许为两个多接触部分中的每一个的三个不同横向方向中的每一个来编程不同的刺激幅度(电压或电流)。这样的定向引线允许刺激场向着目标区域内的期望方向进行成形，从而允许DBS以明显改善的刺激精度得到编程，以实现最佳的临床效果，同时避免了沿着可能引起与不希望的刺激相关的副作用的方向的刺激。然而，存在八个刺激接触(其中六个沿着三个不同方向进行刺激)，意味着DBS患者的术后管理和刺激方案的编程明显比四极引线更复杂。引线上的电极越多，触点的手动测试越耗时，并且程序的可靠性遭受的患者疲劳不利影响越大。专业性、基础设施和时间的缺乏，可能是妨碍对这种定向引线进行适当的手动接触测试的附加限制因素。因此，定向刺激的潜在好处可能无法得到充分利用，且其承诺无法完全实现。因此，需要一种系统和方法来减少确定编程参数所花费的时间，并且用于提高它们的准确性和可靠性。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术中固有的至少一些上述和其他困难。特别地，本专利技术的目的是提供如权利要求1所述的方法，如权利要求12所述的系统和如权利要求15所述的计算机可读介质。在从属权利要求2至11,13和14中，描述了本专利技术的装置和方法的进一步变型。通过根据定向局部场电位(LFP)测量系统地确定最佳刺激参数的方向性，本编程参数确定方法可以比迄今为止由熟练的操作员通过手动执行的接触测试更快、更准确和更可再现地得到执行。具体实施方式将参考附图更详细地解释本专利技术及其优点，在附图中：图1示出了定向多触点DBS引线布置的一个示例的简化示意图，该布置可用于向本专利技术的方法和系统提供LFP信号数据。图2示出了针对具体患者的具体DBS部位的、从图1的引线获取的LFP信号数据的频率-功率谱的示例。图3a和3b示出了DBS方向权重的示意图，其可以由本专利技术的方法和系统根据图2的信号数据确定。图4显示了结合本专利技术方法的临床程序的一个实例的简化顶层抽象。图5示出了在根据本专利技术的方法中执行的步骤的更详细视图。图6更详细地示出了可以在根据本专利技术的方法中执行的步骤和子步骤。附图仅用作示例性说明，以便理解本专利技术的某些原理，并且不应被解释为限制本专利技术的范围。在不同附图中使用相同的附图标记的情况下，这些附图标记旨在表示相同或相应的特征。然而，不同的附图标记的使用，不应被理解为是表示了所标记的特征在任何方面有所不同。为了识别用于慢性刺激的目标脑结构，可以执行神经元活动的术中记录，例如使用诸如图1中所示的定向多接触引线。这样的记录可以揭示可在局部场电位(LFP)中检测到的STN、GPi或丘脑放大的振荡同步的证据。已经确定了PD患者中两种广泛类型的振荡活动：β带活性(13-30Hz)和γ带活性(65-80Hz)。未经药物治疗的β带活性(即左旋多巴)的功效和左旋多巴和DBS对该活性的抑制程度分别与帕金森病的临床症状(运动迟缓和僵硬)和治疗的临床改善程度相关。相比之下，伽玛带活动在运动迟缓和僵硬的改善过程中显示出增加。本专利技术的方法和系统利用了以下事实：特定频带中的LFP信号，尤其是β频带活动，与电机标志相关联，并且可以用作优化深部脑刺激的生物标记。从定向DBS接头记录的LFP，针对疾病相关频带(例如β频带)中的功率频谱中的深度特异性差异和个体方向，被进行了筛选。然后使用特定算法来处理这些信号数据，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.计算机实现的方法，其基于位于患者大脑的预定区域中的方向传感器(1)处沿着多个不同方向测量的多个定向LFP信号，确定以用于刺激所述区域的参数对定向多电极刺激引线(1,8)进行编程的优化的患者特定的编程参数(6，7)，该方法包括：频谱分析步骤(30)，其中，在至少一个预定频率范围内，为每个定向LFP信号确定功率‑频率变化曲线(12,13,14,15,16,17)，峰识别步骤(31)，其中在功率‑频率变化曲线上识别出至少一个频率峰(10)，差检测步骤(32)，检测所述至少一个识别的频率峰中的一个峰(10)，在所述峰处发生了定向LFP信号之间的信号功率的最大差，方向性确定步骤(33)，基于在检测到的频率峰(10)的频率处的定向LFP信号的相对信号功率，确定用于定向刺激引线的多个方向加权的刺激指数(6,7)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.15 EP 16160544.91.计算机实现的方法，其基于位于患者大脑的预定区域中的方向传感器(1)处沿着多个不同方向测量的多个定向LFP信号，确定以用于刺激所述区域的参数对定向多电极刺激引线(1,8)进行编程的优化的患者特定的编程参数(6，7)，该方法包括：频谱分析步骤(30)，其中，在至少一个预定频率范围内，为每个定向LFP信号确定功率-频率变化曲线(12,13,14,15,16,17)，峰识别步骤(31)，其中在功率-频率变化曲线上识别出至少一个频率峰(10)，差检测步骤(32)，检测所述至少一个识别的频率峰中的一个峰(10)，在所述峰处发生了定向LFP信号之间的信号功率的最大差，方向性确定步骤(33)，基于在检测到的频率峰(10)的频率处的定向LFP信号的相对信号功率，确定用于定向刺激引线的多个方向加权的刺激指数(6,7)。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述频率范围包括β频率范围。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述频谱分析步骤包括确定多个频率范围的功率-频率曲线，所述频率范围可单独使用或组合使用以引导刺激。4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述方向性确定步骤(32,33)包括：-基于检测到的频率峰(10)，选择方向性指示频率范围DIFR，-为定向刺激引线(8)的多个电极中的每一个电极和/或为定向刺激引线(8)的电极的多个蒙太奇中的每一个蒙太奇，确定方向性指数DI。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述DIFR是以所检测的频率峰的频率为中心的预定恒定频率范围，或其中所述DIFR的宽度根据所检测的频率峰的频率来选择。6.根据权利要求4或5所述的方法，其中确定方向性指数的步骤包括对DIFR中的每个谱功率LFP曲线(12,13,14,15,16,17)的平均幅度进行归一化和/或基线校正。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述基线校正包括从每个谱功率LFP曲线的幅度中减去所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：盖德廷克霍斯特，彼得布朗，阿列克波戈相，米切尔舒巴赫，克劳迪奥波洛，伊尼斯德博夫，
申请(专利权)人：伯尔尼大学，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH