[發(fā)明專利]帕金森閉環(huán)神經(jīng)調控硬件在環(huán)測試系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110551731.5
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113282009B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發(fā)明（設計）人: 劉晨;韓玲民;常思遠;王江;魏熙樂;李會艷;鄧斌
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰

本發(fā)明涉及帕金森閉環(huán)神經(jīng)調控硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括皮層?基底核?丘腦神經(jīng)回路模擬單元、信號處理單元、閉環(huán)調控單元和測試管理單元，可用于閉環(huán)DBS治療方案的評估與檢測。皮層?基底核?丘腦神經(jīng)回路模擬單元用來模擬真實腦區(qū)的電生理信號，信號處理單元對電生理信號進行放大、去除偽跡以及濾波處理，提高了反饋神經(jīng)信號的信號質量；閉環(huán)調控單元利用嵌入式閉環(huán)算法對處理后的電生理信號進行分析并根據(jù)分析結果實時調整刺激參數(shù)。本發(fā)明測試系統(tǒng)為后續(xù)DBS研究提供了在實驗室條件下能夠復現(xiàn)真實環(huán)境的方法，降低了實驗成本，推動了閉環(huán)刺激走向臨床應用的進程。

技術領域

本發(fā)明涉及閉環(huán)深部腦刺激系統(tǒng)，具體涉及皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路模擬單元及應用該模擬單元的帕金森閉環(huán)神經(jīng)調控硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。

背景技術

帕金森病(Parkinson’s Disease,PD)是一種高發(fā)病率的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，主要臨床表現(xiàn)為靜止性震顫、肌肉僵直、運動遲緩和姿勢步態(tài)異常等運動障礙，嚴重影響了病人的正常生活，給家庭和社會帶來了沉重的負擔。深部腦刺激(DBS)作為一種神經(jīng)調節(jié)技術，憑借其微創(chuàng)性、可調節(jié)性以及可逆性的特點，已成為PD的重要治療手段，其治療效果依賴于刺激參數(shù)。然而，由于其固有的開環(huán)特性，DBS參數(shù)不能根據(jù)神經(jīng)系統(tǒng)本身的動態(tài)進行自動調整，當前DBS參數(shù)都是由具有豐富臨床經(jīng)驗的醫(yī)師每3-12個月間歇性調整，而在就診期間保持不變。長時間的高頻刺激，被認為會導致腦組織的永久性破壞，且降低刺激輸入的響應效果。因此，開發(fā)可根據(jù)患者病情及個性化差異實時調節(jié)參數(shù)的閉環(huán)DBS裝置成為當前研究重點。

在人體上進行實驗面臨著成本高，風險大以及倫理限制等問題，設計開發(fā)基于模型的閉環(huán)DBS實驗系統(tǒng)是一種可行的方案。然而現(xiàn)有的閉環(huán)DBS刺激方案都是基于生理模型的計算機仿真，難以模擬刺激偽跡、臨床刺激應用中的信號傳輸延時、環(huán)境噪聲以及刺激偽跡等現(xiàn)實因素，因此與臨床應用相比還有一定差距。

發(fā)明內容

為針對上述問題，本發(fā)明提供了一種皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路模擬單元及應用該模擬單元的帕金森閉環(huán)神經(jīng)調控硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)利用FPGA搭建虛擬的皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路模擬單元，通過連接數(shù)模轉換模塊與硬件電路產生PD狀態(tài)下的連續(xù)的可模擬大腦中相應核團或腦區(qū)的電生理信號；并基于此模型使用者可以設計不同控制策略，基于評估結果可以通過嵌入式閉環(huán)算法實時調節(jié)深部電刺激參數(shù)，實時閉環(huán)控制過程的參數(shù)配置以及控制算法的設計可以通過用戶操作界面完成，同時測試管理單元中的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控部分可以實時觀測神經(jīng)網(wǎng)絡的動態(tài)特性，為帕金森病的研究提供了一個可視化在環(huán)測試研究平臺。該模擬單元能夠模擬包含刺激偽跡的大腦生理信號，該生理信號與真實腦電信號相符，使模擬更準確。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是一種帕金森閉環(huán)神經(jīng)調控硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路模擬單元、信號處理單元、閉環(huán)調控單元和測試管理單元；

所述的皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路模擬單元能模擬大腦中相應核團或腦區(qū)的電生理信號，該電生理信號的電壓強度與真實腦電信號相符；

所述的信號處理單元與皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路模擬單元相連接，對皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路模擬單元生成的電生理信號進行放大、去除偽跡以及濾波處理；

所述的閉環(huán)調控單元通過根據(jù)電生理信號進行分析的結果實時調整刺激參數(shù)；

所述的測試管理單元，用于測試系統(tǒng)配置，便于用戶實時觀測刺激前后信號波形。

所述的皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路模擬單元包含皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路生理模型、數(shù)模轉換模塊、模數(shù)轉換模塊、幅值衰減模塊以及類腦環(huán)境。所述的皮層-基底核-丘腦神經(jīng)回路生理模型由VHDL語言編程實現(xiàn)，并編譯下載到FPGA芯片中；

數(shù)模轉換模塊將神經(jīng)回路模型產生的數(shù)字信號轉換為模擬信號；