The invention provides an optimal closed loop DBS treatment system based on phase response curve, including bidirectional multi electrode neural interface, local field potential detection, data processing computer, and stimulation pulse generation. A bidirectional multi electrode neural interface is used to record neural signals while stimulating. The local field potential is composed of a preamplifier, a filter and an analog to digital converter, which amplifies and filters the micro voltage level signals at the electrode and converts into the digital amount to the upper computer. The data processing computer uses MATLAB to reconstruct the phase response curve and the instantaneous phase of the neuron. When the instantaneous phase falls on the phase sensitive interval of the phase response curve, the instruction is sent to the pulse generation part. The pulse generation part is composed of an embedded microprocessor, a digital to analog converter and a multiplexer. The pulse generated by the microprocessor is transferred from a multiplexer to a stimulus electrode through a digital mode conversion. The beneficial effect is that the closed-loop DBS is constructed according to the phase response curve of neurons, and stimulation is applied in the sensitive region to obtain the DBS with optimal energy.
【技术实现步骤摘要】
基于相响应曲线的最优闭环DBS治疗系统
本专利技术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。
技术介绍
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 ...
【技术保护点】
1.一种基于相响应曲线的最优闭环DBS治疗系统,其特征是:该系统包括有双向多电极神经接口装置(1)、局部场电势检测装置(2)、数据处理上位机(3)、脉冲生成装置(4);所述的双向多电极神经接口装置(1)包括1个刺激电极(5)、2个记录电极(6)、(7);既能通过刺激电极(5)施加刺激,又能实时采集到刺激电极附近的记录电极(6)、(7)处的神经信号;所述的局部场电势检测装置(2)包括高增益前置放大器(8)、带通滤波器(9)、模数转换器(10);所述的高增益前置放大器(8)与记录电极(6)、(7)连接,将采集的微伏级电极信号放大使其与邻近的刺激信号区分开,通过滤波器(9)和模数转换器(10)将放大的局部场电势信号进行整流和滤波,并转换成数字量;所述的数据处理上位机(3)实时采集局部场电势数据,并采用matlab软件对局部场电势数据进行功率谱分析,计算出神经元的瞬时相位,并重构出神经元的相响应曲线,如果计算出的神经元瞬时相位落于相响应曲线的相敏感区,则发出生成脉冲的控制指令;所述的脉冲生成装置(4)包括嵌入式微处理器(11)、数模转换器(12)、多路复用器(13);所述的嵌入式微处理器(11 ...
【技术特征摘要】
1.一种基于相响应曲线的最优闭环DBS治疗系统,其特征是:该系统包括有双向多电极神经接口装置(1)、局部场电势检测装置(2)、数据处理上位机(3)、脉冲生成装置(4);所述的双向多电极神经接口装置(1)包括1个刺激电极(5)、2个记录电极(6)、(7);既能通过刺激电极(5)施加刺激,又能实时采集到刺激电极附近的记录电极(6)、(7)处的神经信号;所述的局部场电势检测装置(2)包括高增益前置放大器(8)、带通滤波器(9)、模数转换器(10);所述的高增益前置放大器(8)与记录电极(6)、(7)连接,将采集的微伏级电极信号放大使其与邻近的刺激信号区分开,通过滤波器(9)和模数转换器(10)将放大的局部场电势信号进行整流和滤波,并转换成数字量;所述的数据处理上位机(3)实时采集局部场电势数据,并采用matlab软件对局部场电势数据进行功率谱分析,计算出神经元的瞬时相位,并重构出神经元的相响应曲线,如果计算出的神经元瞬时相位落于相响应曲线的相敏感区,则发出生成脉冲的控制指令;所述的脉冲生成装置(4)包括嵌入式微处理器(11)、数模转换器(12)、多路复用器(13);所述的嵌入式微处理器(11)接受到上位机的控制指令,则产生脉冲波形,通过数模转换器(12)将数字信号转换成模拟信号,并通过多路复用器(13)直接将脉冲信号传递至刺激电极。2.根据权利要求1所述的基于相响应曲线的最优闭环DBS治疗系统,其特征是:所述的双向多电极神经接口装置(1):通过多个多电极阵列能实现同时刺激神经组织和记录神经信号;双向多电极神经接口装置(1)包括刺激电极(5)、局部场电势记录电极(6)、(7);刺激电极(5)负责施加脉冲刺激,记录电极(6)、(7)实时...
【专利技术属性】
技术研发人员:卢梅丽,魏熙乐,车艳秋,王江,
申请(专利权)人:天津职业技术师范大学,
类型:发明
国别省市:天津,12
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