植入式脑深部刺激器的闭环控制方法研究

植入式神经刺激在临床上已成为多种药物难治性神经和精神疾病的最佳疗法，闭环"按需刺激"是未来神经刺激器的关键特征之一。本课题以癫痫的深部脑刺激疗法（靶点取公认最佳的丘脑前核）为研究对象，从安全性、经济性和长期稳定性出发，创新性地将脑深部刺激电极同时作为记录电极，获取丘脑前核的局部场电位作为反馈信号，编制算法检测脑电异常，当预测癫痫即将发作时实施电刺激治疗。闭环刺激疗法的有效性将在癫痫恒河猴上进行检验，其中闭环刺激装置由申请人已研制成功、正在进行临床试验的开环脑深部刺激器改进而成：硬件增加局部场电位信号放大采集电路和放大采集/刺激切换电路，软件增加准确度较高、计算复杂度可接受的嵌入式癫痫预测算法。预期将创新性地建立"记录核团局部场电位－信号处理与特征提取－癫痫发作预测－启动电刺激治疗"的脑深部刺激器闭环控制方法，研究成果将为探索新型的、低刺激剂量的"按需刺激"疾病治疗模式提供新的思路。

本课题首先以癫痫的脑深部刺激治疗为背景，研究“癫痫发作检测—癫痫发作干预”的闭环刺激方法。我们建立了大鼠的癫痫模型，记录了上百小时脑电数据，对经典的GOFA、线长和半波算法进行了复现、优化和整合，并用大鼠的ANT脑电进行了算法测试以及三种算法的比较。接着分析了人类颅内癫痫脑电信号的特征，针对这些特征提出了一种新型实时癫痫检测算法，并用北京301医院的临床癫痫脑电数据和德国Freiburg大学颅内癫痫脑电数据库的数据对新算法进行了验证，Freiburg数据集最优导的分析结果正确检出率达到97%，误检率0.8次/小时，平均延迟4.4秒，与同类研究相比，结果较令人满意。其次，本课题以帕金森病的脑深部电刺激治疗为背景，研究“检测帕金森病人的觉醒与睡眠状态—开启或者关闭电刺激治疗”的闭环刺激方法。我们设计了包含一块微型三轴加速度传感器的体动信号采集与记录装置，以健康人群、帕金森病患者为研究对象，获取9名健康受试者和12名患者夜间连续9小时的手腕与胸前位置的体动信号，同时，分别研究基于手腕、胸前位置体动信号的实时睡眠/觉醒检测算法，并验证该算法的检测效果，结果表明检测算法对两类患者的两种位置的检测均达到了75%以上的正确率、灵敏度及特异性，特别地，检测算法对胸前位置的体动信号的处理达到了80%以上的正确率、灵敏度及特异性。在此基础上，我们研究了基于睡眠/觉醒状态检测的闭环脑深部刺激装置的硬件架构，并将根据手腕位置的体动信号检测睡眠/觉醒状态的算法嵌入刺激器处理器，研制了有效、可靠、便捷的具有无线传输功能的腕带式睡/醒检测装置。该装置可以检测病人的睡眠或觉醒状态，根据检测结果通过无线通信模块对体内刺激器实现关闭或开启的闭环控制。最后，本课题研制了集成电刺激、信号采集、实时无线数据传输、无线充电等功能的植入式深部脑刺激闭环研究平台，为神经刺激方法和神经科学提供了重要工具。利用该可充电的闭环平台，我们可以探索不局限于电信号的合适的反馈信号，实现长期的采集和记录信号，并可通过外部上位机进行优化算法和对植入式神经刺激器的嵌入式程序的无线更新，该闭环刺激系统不仅可以用于动物实验研究，也可作为临床闭环研究的尝试，这将有利于探索电刺激治疗机理，探究神经电刺激效应，促进闭环刺激更快地走向临床应用。本课题共发表论文11篇，其中SCI收录4篇，EI收录10篇，ISTP收录6篇，培养硕士研究生2名。