本发明专利技术提供了一种针对帕金森病步态障碍的多位点闭环刺激反馈系统和方法。该系统包括：信号采集模块，用于采集初级运动皮层和丘脑底核的脑电生理信号并生成PAC信号；信号处理模块，用于基于PAC信号和脑电生理信号的波形指标生成步态障碍概率曲线，并判断某一时间段内所述步态障碍概率曲线中的概率值是否超过PAC阈值；刺激控制模块，用于产生输出高频刺激或低频刺激的控制命令，并控制信号采集模块持续采集初级运动皮层处的刺激后脑电生理信号进行反馈；刺激发生模块，用于基于控制命令向布置在丘脑底核处的电极发射高频或低频刺激信号；其中信号处理模块和刺激控制模块根据刺激后脑电生理信号对高频刺激或低频刺激的参数进行调整。参数进行调整。参数进行调整。
【技术实现步骤摘要】
一种针对帕金森病步态障碍的多位点闭环刺激系统和方法
[0001]本专利技术属于医用设备领域，涉及一种针对帕金森病步态障碍的多位点闭环刺激反馈系统和方法，所述系统用于帕金森病步态障碍的治疗。
技术介绍
[0002]帕金森病是一种好发于老年人的神经系统变性疾病。步态障碍表现为反复发作的短暂性步态迟滞、中止，可在迈步或行走中突然出现。随帕金森疾病进展，步态障碍的发生率逐渐提高，10年以上的发生率高达58%。步态障碍具有较高的致残性，是帕金森病患者跌倒的主要原因，显著妨碍患者日常生活的活动性和自主性，极大影响患者生活质量。
[0003]脑深部电刺激治疗帕金森病的有效性和长期稳定性逐渐得到广泛认可，但现有刺激模式尚不能满足对步态障碍患者的治疗需求。传统高频刺激虽可明显缓解帕金森病患者的震颤、僵直症状，但其对步态障碍的疗效并不理想，低频刺激可显著改善帕金森患者的冻结步态症状，但对震颤、僵直等症状改善不佳。故在治疗时如何根据患者运动状态自动选择刺激频率成了一个关键性问题。
[0004]因此，需要开发一种根据患者的运动状态来自动选择刺激频率治疗步态障碍的系统和方法。
技术实现思路
[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种针对帕金森病步态障碍的多位点闭环刺激反馈系统和方法，其通过获取并分析皮层及丘脑底核的局部场电位，预测步态障碍发生概率较大的时间段，通过高低频刺激自动切换，改善步态障碍问题。
[0006]在第一个方面，本专利技术提供了一种针对帕金森病步态障碍的多位点闭环刺激反馈系统，包括：信号采集模块、信号处理模块、刺激控制模块和刺激发生模块；所述信号采集模块被配置成采集大脑初级运动皮层和丘脑底核的脑电生理信号，并处理所述脑电生理信号以生成跨频相位
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振幅耦合(PAC)信号；所述信号处理模块被配置成基于所述PAC信号和所接收到的所述脑部脑电生理信号的波形指标生成步态障碍概率曲线，并判断某一时间段内所述步态障碍概率曲线中的概率值是否超过PAC阈值，生成确定输出高频刺激还是低频刺激的判断结果；所述刺激控制模块被配置成基于从所述信号处理模块获得的判断结果产生输出高频刺激或低频刺激的控制命令，将所述控制命令发送至所述刺激发生模块以产生刺激信号，并控制所述信号采集模块持续采集初级运动皮层处的刺激后脑电生理信号进行反馈；所述刺激发生模块被配置成基于所述刺激控制模块发出的控制命令向布置在丘脑底核处的电极发射高频或低频刺激信号，用于对丘脑底核进行刺激，抑制受试者脑内病理性信号；其中所述信号处理模块和所述刺激控制模块根据所述信号采集模块所采集的刺激后脑电生理信号对所述高频刺激或低频刺激的参数进行调整。
[0007]具体来说，“判断某一时间段内所述步态障碍概率曲线中的概率值是否超过PAC阈值，生成确定输出高频刺激还是低频刺激的判断结果”中的判断结果可以为：若是，则所述
刺激控制模块生成使所述刺激发生模块产生低频信号的控制命令；若否，则所述刺激控制模块生成使所述刺激发生模块产生高频信号的控制命令。
[0008]在一个具体实施方案中，所述信号采集模块包括脑电电极、脑电信号放大子模块、微控制器和通讯子模块，其中所述脑电电极被布置在大脑初级运动皮层和丘脑底核处用于采集脑电生理信号；所述脑电信号子放大模块用于对所述脑电生理信号进行放大处理；所述微控制器用于对所述脑电生理信号进行处理分析，生成跨频相位
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振幅耦合(PAC)信号；所述通讯子模块用于接收其他模块发送的信号，并将所述微控制器的处理结果发送至其他对应模块。
[0009]进一步，所述微控制器包括信号预处理子模块、特征提取子模块、参数设定子模块和信号生成子模块，所述信号预处理子模块用于对脑电生理信号进行滤波、降噪和去除伪迹，特征提取子模块提取所述脑电生理信号特征频段的相位和幅值特征；所述参数设定子模块用于将所述相位和幅值特征转换为系统对应的参数值；所述信号生成子模块用于根据所述参数值生成能够反应步态状态特征的信号。
[0010]进一步，所述微控制器中的预处理子模块经过双向零相位滞后有限脉冲响应滤波器，将所述脑电生理信号带通滤波到低频段信号和高频段信号；所述特征提取子模块通过希尔伯特变换提取低频段信号与高频段信号的瞬时幅值和瞬时相位，从而通过所述信号生成子模块生成PAC信号。
[0011]在具体的实施方案中，所述波形指标通过微控制器中的双向零相位滞后有限脉冲响应滤波器处理所述脑电生理信号获得，是指脑电生理信号的波形的特征，如波形的尖度、峰度、峰的位置和到达峰的时间等。
[0012]在本专利技术中，所述PAC阈值可以事先对用户(例如，可以是具有步态障碍的帕金森病患者)进行测试获得，然后存储在所述信号处理模块的存储器中或使用时实时输入至系统。所述测试可以如下进行：在用户的初级运动皮层及丘脑底核处布置电极后，在电极连线外挂期中，通过对用户进行起立行走测试（TUG），通过多关节节点传感器捕捉患者行走的各项指标（包括步幅、步长、协同值等），同步获得行走状态下的指标及初级运动皮层和丘脑底核的信号，根据用户行走步态不佳及良好两种状态下的指标值来估算两种状态之间的PAC阈值。在一个实施方案中，所述信号处理模块包括处理器和存储器，所述PAC阈值预先存储在信号处理模块的存储器中，当获得步态障碍概率曲线时，所述信号处理模块的处理器从所述存储器调用所述PAC阈值并与某一时间段内所述步态障碍概率曲线中的概率值进行比较。
[0013]应该理解的是，如上所述，所述信号采集模块所采集的脑电生理信号包括刺激后的脑电生理信号，该脑电生理信号被反馈用于调整刺激参数。进一步优选地，刺激参数可以如下调整优化：记录不同刺激参数下获得的初级运动皮层和丘脑底核的脑电生理信号；将所述信号的值代入所述基于PAC信号的步态障碍概率曲线，并对结果进行分析；根据所述结果，获得贝叶斯算法的初始化高斯分布，并将其设定为观测分布；根据所述观测分布，优化贝叶斯算法模型的收益函数，获得最佳刺激参数组合。
[0014]在本专利技术中，刺激控制模块可以采用软件、控制器如工控机或装有可编程软件的个人通用计算机等方式来实现。
[0015]在本专利技术中，刺激发生模块可以采用植入的刺激电极来实现，例如，包括植入刺激
电极和脉冲发生器，其中每个植入刺激电极上可以设置若干电极触点。
[0016]在第二个方面，本专利技术还公开了一种针对帕金森病步态障碍的多位点闭环刺激反馈方法，所述方法利用本专利技术的多位点闭环刺激反馈系统进行，包括以下步骤：所述系统接收由布置在用户初级运动皮层和丘脑底核处的脑电电极采集的脑部脑电生理信号，并将所述脑电生理信号传输至微控制器，所述微控制器对脑电生理信号进行处理后通过通讯子模块输出PAC信号；所述系统根据所述PAC信号和所述脑电生理信号的波形指标建立步态障碍概率曲线，判断某一时间段内所述步态障碍概率曲线中的概率值是否超过PAC阈值，若是则所述刺激控制模块生成产生低频信号的控制命令；若否，则所述刺激控制模块生成产生高频信号的控制命令；所述刺激控制模块本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种针对帕金森病步态障碍的多位点闭环刺激反馈系统，其特征在于，包括：信号采集模块、信号处理模块、刺激控制模块和刺激发生模块；其中所述信号采集模块被配置成采集大脑初级运动皮层和丘脑底核的脑电生理信号，并处理所述脑电生理信号以生成跨频相位
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振幅耦合(PAC)信号；所述信号处理模块被配置成基于所述PAC信号和所接收到的所述脑部脑电生理信号的波形指标生成步态障碍概率曲线，并判断某一时间段内所述步态障碍概率曲线中的概率值是否超过PAC阈值，生成确定输出高频刺激还是低频刺激的判断结果；所述刺激控制模块被配置成基于从所述信号处理模块获得的判断结果产生输出高频刺激或低频刺激的控制命令，将所述控制命令发送至所述刺激发生模块以产生刺激信号，并控制所述信号采集模块持续采集初级运动皮层处的刺激后脑电生理信号进行反馈；所述刺激发生模块被配置成基于所述刺激控制模块发出的控制命令向布置在丘脑底核处的电极发射高频或低频刺激信号；其中所述信号处理模块和所述刺激控制模块根据所述信号采集模块所采集的刺激后脑电生理信号对所述高频刺激或低频刺激的参数进行调整。2.如权利要求1所述的多位点闭环刺激反馈系统，其特征在于，所述信号采集模块包括脑电电极、脑电信号放大子模块、微控制器和通讯子模块，其中所述脑电电极被布置在大脑初级运动皮层和丘脑底核处用于采集脑电生理信号；所述脑电信号子放大模块用于对所述脑电生理信号进行放大处理；所述微控制器用于对所述脑电生理信号进行处理分析，生成跨频相位
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振幅耦合(PAC)信号；所述通讯子模块用于接收其他模块发送的信号，并将所述微控制器的处理结果发送至其他对应模块。3.如权利要求2所述的多位点闭环刺激反馈系统，其特征在于，所述微控制器包括信号预处理子模块、特征提取子模块、参数设定子模块和信号生成子模块，所述信号预处理子模块用于对脑电生理信号进行滤波、降噪和去除伪迹，所述特征提取子模块提取所述脑电生理信号特征频段的相位和幅值特征；所述参数设定子模块用于将所述相位和幅值特征转换为系统对应的参数值；所述信号生成子模块用于根据所述参数值生成能够反应步态状态特征的电信号。4.如权利要求3所述的多位点闭环刺激反馈系统，其特征在于，所述微控制器中的信号预处理子模块经过双向零相位滞后有限脉冲响应滤波器，将所述脑电生理信号带通滤波到低频段信号和高频段信号；所述特征提取子模块通过希尔伯特变换提取低频段信号与高频段信号的瞬时幅值和瞬时相位，从而通过所述信号生成子模块生成所述PAC信号。5.如权利要求1所述的多位点闭环刺激反馈系统，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱冠宇，尹子霄，刘钰晔，赵宝田，张泉，白宇彤，陈颍川，杜婷婷，安琪，张建国，孟凡刚，杨岸超，石林，刘焕光，张华，韩春雷，
申请(专利权)人：北京市神经外科研究所，
类型：发明
国别省市：
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