基于脑电的癫痫检测与干预装置.pdf

本发明提供了一种基于脑电的癫痫检测与干预装置，具有记录脑电(头皮脑电、皮层脑电、深部局部场电位脑电)的功能，具有对记录到的脑电进行分析检测癫痫脑电发作暨预报癫痫行为发作的功能，具有对预报即将到来的癫痫发作进行报警或实施如电刺激等干预手段的功能。本发明同时可用于相应动物实验的研究。

1.一种基于脑电的癫痫检测与干预装置，包括：脑电采集模块、脑电分析模块、存储模块和干预模块；所述脑电采集模块能够进行脑电采集，所述脑电分析模块能够根据采集到的脑电信号进行癫痫检测，并且根据所述检测的结果设置所述干预模块的工作模式；并且，所述脑电分析模块被配置为执行以下步骤：(1)接收被测对象的脑电数据；(2)从所述脑电数据中提取脑电检测因子；(3)根据所述脑电检测因子和相应的阈值判断所述对象是否癫痫脑电发作。 2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脑电检测因子为其中x，x，...，为所述脑电数据中的N个连续或间隔采样数据点。 3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脑电检测因子为其中即N点脑电平方排序位于p％的数据点作为前景；其中k＝nN，n为正整数即每隔N点采样前景，取满N点做遗忘处理按照计算前景的方法计算背景。 4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脑电检测因子的提取包括以下步骤：对连续或间隔采样的N点脑电：(1)找到局部极值点(2)计算连续两局部极值点之间的时长与振幅，并做适当移动平均(3)计算检测因子r3＝振幅/时长。 5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述脑电采集模块包括两用电极，用于切换所述两用电极记录和刺激功能的模拟开关，以及脑电采集电路。 6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述脑电采集电路包括：放大单元，将原始信号进行初级放大，其输入端通过模拟开关与所述两用电极相连；滤波单元，其输入端与放大单元的输出端相连；A/D转换器，其输入端与所述滤波单元的输出端相连，将脑电信号从模拟形式转换为数字形式。 7.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述脑电采集模块包括记录电极和脑电采集电路；所述干预模块包括刺激电极，脉冲发生电路控制单元，以及脉冲发生电路；所述装置还包括无线通信模块，所述脑电分析模块通过所述无线通信模块控制所述干预模块。 8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述记录电极为体外电极，所述刺激电极为植入式电极。 9.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述脑电采集模块包括记录电极和脑电采集电路；所述干预模块包括报警模块和存储模块。 10.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述被测对象为人类癫痫患者或实验动物。

技术领域

本发明涉及到基于脑电(人类或大鼠、家兔、猴等实验动物的头皮脑电EEG，皮层脑电ECoG和脑深部局部场电位LFP)的癫痫检测与干预治疗装置及其癫痫检测算法，可用于带有自动检测按需刺激的闭环反馈式神经刺激器或体外的癫痫检测报警装置，该装置与方法也可用于癫痫检测与干预的相应动物实验研究中，属于植入医疗仪器领域。 

背景技术

植入式神经刺激器是植入式医疗仪器中的一类，通过对神经系统发放电刺激来治疗某些疾病，目前全世界已经投入临床使用或在研制注册阶段的主要包括用于治疗帕金森、癫痫、肌张力失常等运动障碍型疾病的深部脑刺激器(DBS，俗称脑起搏器)、脊髓刺激器(SCS)、脑皮层刺激器(CNS)、迷走神经刺激器(VNS)。其中迷走神经刺激器在国外已经广泛应用于难治性癫痫的治疗，深部脑刺激器、脑皮层刺激器用于癫痫治疗也已经进入临床试验阶段。 

癫痫俗称“羊角风”，是一种常见的神经系统疾病，影响全世界1％左右的人口，在中国有900万患者。它是由脑部病变引发脑神经细胞突然异常过度放电引起脑功能失调的一种慢性疾病。癫痫发作时患者会丧失意识，产生全身抽搐，口吐白沫等现象，部分轻度发作则仅表现出静立、失神等现象。癫痫本身虽然不会致命，但会影响人神经系统正常工作，另外在特定环境中的发作可能导致生命危险，如发生交通事故、溺水、高处坠落等。如果能提前发出警报，不管是进行预报还是结合治疗设备对即将到来的癫痫发作进行干预，对患者的生命健康都具有重要意义。 

在癫痫临床发作(clinical onset，CO)之前几秒到几分钟乃至更长时间，脑电会提前出现异常表现，表现为特征脑电波发作，如棘波、尖波、慢波及棘慢复合波、尖慢复合波等典型癫痫脑电发作(electrograph onset，EO)。本发明通过检测癫痫脑电发作，形成对癫痫临床发作的预测。该系统可以基于 多个尺度上的脑电进行检测，包括头皮脑电(electroencephalograph，EEG)，脑硬膜下皮层脑电(electrocorticograph，ECoG)，脑深部局部场电位(local field potential，LFP)脑电，在癫痫诊断、预防、治疗等临床实践中根据侧重点的不同存在多种实施方案。如在病房中或院外进行癫痫预报，以提醒医生、护士或家属提前安排防护措施等；或配合记录、传输设备，将癫痫发作前后的脑电信息存储并传出，供研究人员开展研究。本发明最典型应用是带有癫痫检测功能可以进行按需刺激的神经刺激器。当前的神经刺激器均采用预设参数按照固定的模式进行刺激，没有根据患者情况进行做出反应进行“按需刺激”的功能。对脑不必要的电刺激属过度刺激，可能存在潜在风险，若进行按需刺激则能降低这种风险。另外，对于全植入人体的植入式神经刺激器有限的电池电量，在合理软硬件配置下，检测-刺激的模式能获得相对于持续刺激的模式更低的功耗，延长一次植入使用寿命，降低患者的手术痛苦和经济负担。在可能的临床应用推行之前需要进行动物实验验证，在不改变本发明实质的前提下，可以制成适合于大鼠、家兔、猴等实验动物进行动物实验的原型机开展动物实验。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够基于脑电波进行癫痫检测然后报警或实施如电刺激等干预手段的装置，具有对记录到的脑电(人类或大鼠、家兔、猴等实验动物的头皮脑电EEG，皮层脑电ECoG和脑深部局部场电位LFP)进行分析，检测癫痫脑电发作暨预报癫痫行为发作的功能，具有对预报即将到来的癫痫发作进行报警或实施如电刺激等干预手段的功能。本发明同时可用于相应动物实验的研究。 

本发明通过以下的技术方案得以实现。 

一种基于脑电的癫痫检测与干预装置，包括：脑电采集模块、脑电分析模块、存储模块和干预模块； 

所述脑电采集模块能够进行脑电采集，所述脑电分析模块能够根据采集到的脑电信号进行癫痫检测，并且根据所述检测的结果设置所述干预模块的工作模式；并且， 

所述脑电分析模块被配置为执行以下步骤： 

(1)接收被测对象的脑电数据； 

(2)从所述脑电数据中提取脑电检测因子； 

(3)根据所述脑电检测因子和相应的阈值判断所述对象是否癫痫脑电发作。 

优选地，所述脑电检测因子为 

r 1 = Σ i = 2 N 1 | x i - x i - 1 | max { x 1 , x 2 , . . . x N 1 } - min { x 1 , x 2 , . . . x N 1 } ]]>

其中x1，x2，...， 为所述脑电数据中的N1个连续或间隔采样数据点。 

优选地，所述脑电检测因子为 

r 2 = FG BG = FG k BG k ]]>

其中 

即N2点脑电平方排序位于p％的数据点作为前景； 

其中k＝nN3，n为正整数 

即每隔N3点采样前景，取满N4点做遗忘处理按照计算前景的方法计算背景。 

优选地，所述脑电检测因子的提取包括以下步骤： 

对连续或间隔采样的N4点脑电： 

(1)找到局部极值点 

(2)计算连续两局部极值点之间的时长与振幅，并做适当移动平均 

(3)计算检测因子r3＝振幅/时长2。 

优选地，所述脑电采集模块包括两用电极，用于切换所述两用电极记录和刺激功能的模拟开关，以及脑电采集电路。 

优选地，所述脑电采集电路包括： 

放大单元，将原始信号进行初级放大，其输入端通过模拟开关与所述两用电极相连； 

滤波单元，其输入端与放大单元的输出端相连； 

A/D转换器，其输入端与所述滤波单元的输出端相连，将脑电信号从模拟形式转换为数字形式。 

优选地，所述脑电采集模块包括记录电极和脑电采集电路；所述干预模 块包括刺激电极，脉冲发生电路控制单元，以及脉冲发生电路； 

所述装置还包括无线通信模块，所述脑电分析模块通过所述无线通信模块控制所述干预模块。 

优选地，所述记录电极为体外电极，所述刺激电极为植入式电极。 

优选地，其特征在于，所述脑电采集模块包括记录电极和脑电采集电路；所述干预模块包括报警模块和存储模块。 

优选地，所述被测对象为人类癫痫患者或实验动物。 

通过采用以上技术方案，本发明有如下有益效果：本发明记录分析脑电检测出癫痫脑电发作暨预测可能到来的癫痫临床发作再进行刺激，与传统的植入式神经刺激器相比，具有闭环反馈功能，减少刺激，降低电刺激对神经系统产生副作用的风险；本发明可以集成为一个体积较小且没有严格功耗限制的系统中，供癫痫患者佩戴，不再需要长期卧床，判断出患者可能癫痫发作提前给出报警，给看护的亲属、护士、医生以反应并进行干预的时间，提高了患者生活质量。 

附图说明

图1是本发明的第一种实施方式功能模块示意图； 

图2是本发明的第二种实施方式功能模块示意图； 

图3是本发明的第三种实施方式功能模块示意图； 

图4是本发明的癫痫检测或干预的流程图； 

图5是本发明的癫痫检测方法在单片机中考虑低功耗使用时的程序流程图； 

其中： 

11、两用电极(记录/刺激)；12、模拟开关(切换11记录/刺激功能)；13、记录电极；14、刺激电极；2、脑电采集电路；21、放大单元；22、滤波单元；23、A/D转换器；3、脑电分析模块；31、无线通信模块；4、脉冲发生电路；41、脉冲发生电路控制单元；5、报警模块；6、存储模块。 

具体实施方式

结合附图对本发明的实施方案进行详细说明： 

实施万式一： 

参照附图1，一种基于脑电的癫痫检测与干预装置包括：两用电极11，与所述两用电极11相连用于切换电极记录/刺激功能的模拟开关12，脑电采集电路2，脑电分析模块3，存储模块6和脉冲发生电路4。由于着眼于在植入式神经刺激器中应用，各部分需要尽可能选择体积小、功耗低的元器件，并采用低功耗设计。 

所述装置默认工作在脑电记录分析状态，此状态下脉冲发生电路4关闭，模拟开关12使两用电极11连接到脑电采集电路2进行脑电采集，脑电分析模块3对采集到的脑电运行癫痫检测算法程序和必要的控制程序。如果脑电分析模块3的癫痫检测算法没有检测到癫痫脑电发作，则整个装置继续运行在脑电记录分析状态。如果检测到癫痫脑电发作，脑电分析模块3的控制程序控制模拟开关12断开两用电极11与脑电采集电路2的连接，转而将两用电极11与脉冲发生电路4连接，并控制脉冲发生电路4发出电脉冲，通过两用电极11传导到神经靶点，进行刺激。 

所述两用电极11，可以是布置于颅骨内的条状电极、栅状电极或可以植入皮层表面以下的深部电极，用来记录或刺激癫痫相关的神经区域，如脑深部核团、大脑皮层、迷走神经等，受模拟开关12控制与脑电采集电路2或脉冲发生电路4相连，所述两用电极11可配置成记录或刺激模式。可以配置不少于两个电极，如4或8个，根据治疗需要和动物实验需求，每个电极单独配置为记录电极、刺激电极、记录/刺激电极，并放置在脑部或其他神经系统的合适位置记录或/和刺激，进行治疗。 

所述脑电采集电路2包括：放大单元21，用于将原始脑电信号进行初级放大；滤波单元22，对脑电进行带通滤波；A/D转换器23，将脑电信号从模拟形式转换为数字形式，其输出端通过芯片间接口总线与信号处理模块3的微处理器。芯片间接口总线根据A/D转换器23选用芯片的不同而不同，常用的是I2C总线和SPI总线。所述脑电采集电路2各部分要选用功耗低的芯片或集成度高的芯片如将21、22、23三个单元集成在一起的完整生物电模拟前端芯片，以适应电池供电的植入式医疗仪器的小体积低功耗设计要求。 

所述信号处理模块3的主体为低功耗微处理器芯片，或将癫痫检测算法与控制程序固化的定制芯片，以适应电池供电的植入式医疗仪器的小体积低 功耗设计要求。所述癫痫检测算法采用三种不同的算法独立提取三类不同的脑电特征，形成三个检测因子，并设定相应的阈值，据此判断是否有癫痫脑电发作。 

所述脉冲发生电路4，与传统神经刺激器保持一致，非本发明关心重点，不做详述。 

所述存储模块6为非易失存储器，用来存储脑电信号，在需要的时候读取出来供离线分析研究使用。通常为存储卡或商用存储器芯片，通过USB接口或芯片间接口总线如I2C总线、SPI总线等连接。 

参照图4，本发明根据癫痫检测结果实施癫痫干预的闭环反馈方法按如下步骤进行： 

A、在患者颅内或头皮布置两用电极11或记录电极13，通过脑电采集电路2采集脑电，通过A/D转换器23将数字化的脑电传送到脑电分析模块3。用三种独立的计算高效的算法分别对脑电进行分析。 

B1、算法一：对连续或间隔采样的N1点脑电： 

1、每连续两点做差取绝对值并加和作为分子； 

2、N1点之最大与最小值之差作为分母； 

3、算法一的检测因子r1＝分子/分母 

此算法是分型维度的一种简化计算，如下式所示： 

r 1 = Σ i = 2 N 1 | x i - x i - 1 | max { x 1 , x 2 , . . . x N 1 } - min { x 1 , x 2 , . . . x N 1 } ]]>

B2、算法二： 

对连续或间隔采样的N2点脑电： 

1、取N2点脑电平方排序位于p％的数据点做前景 

如p＝50，则为取中值，步骤1称为中值滤波 

2、每隔N3点采样前景，取满N4点做遗忘处理按照计算前景的方法计算背景； 

3、算法二的检测因子r2＝前景/背景 

此算法的主体称为顺序统计滤波，如下式所示： 

前景： FG k = P p { x k 2 , x k - 1 2 , . . . x k - N 2 + 1 2 } ]]>

背景： BG k = ( 1 - λ ) P p { FG k , FG k - N 3 , . . . FG k - ( N 4 - 1 ) N 3 2 } + λBG k - 1 BG k - 1 , ( n - 1 ) N 3 k nN 3 , ]]>k＝nN3，n为正整数 

B3、算法三： 

对连续或间隔采样的N2点脑电： 

1、找到局部极值点 

2、计算连续两局部极值点之间的时长与振幅，并做适当移动平均 

3、算法三的检测因子r3＝振幅/时长2

C、为三种算法的检测因子设定各自的空间阈值T1，T2，T3，统一的时间阈值D，D2，根据检测因子与空间、时间阈值的关系给出相应警报状态： 

当r1超过T1或r2超过T2时或r3超过T3时，进入一级警报 

当r1超过T1或r2超过T2或r3超过T3并持续时间D时，进入二级警报 

若r1超过T1未达到时间D，或r2超过T2未达到时间D，或r3超过T3未达到时间D，维持一级警报，直到持续低于空间阈值时间达到D2后，解除警报 

D、只要有一种检测算法结果认为进入警报状态，整个系统进入警报状态，报警模块或脉冲发生电路根据相应警报做出反应： 

无警报：不进行干预 

一级警报：可能即将出现癫痫脑电发作，可以进行适当干预 

二级警报：检测到癫痫脑电发作，立刻进行干预 

附图5是本发明集成到电池供电的闭环反馈式植入式神经刺激器中考虑低功耗的软件流程图。癫痫检测算法需要尽可能的降低计算复杂度，以提高计算速度。常用的200Hz、250Hz、256Hz，512Hz采样率采集脑电均可满足癫痫检测的数据需求，每个采样周期后对最后采集的数据点以及之前一定时间内的数据点做集中处理时需要启动微处理器，微处理器运行时较低功耗待机状态时功耗会提高几个数量级。因此算法越快，则微处理器处于运行状态的时间越短，处于低功耗待机状态的时间越长，整体功耗越低。计算每一时刻的检测因子需要当前数据点以及之前一定时间内的数据点进行计算，用的点越多则给出的癫痫发作与否的判断越可靠，但计算速度越慢。需要根据实际需要和经验精细的平衡算法效率、算法效果、工作环境，甚至要每个患者 独立调控。附图5中，算法一、二、三的r1、r2、r3需要分别和空间阈值T1、T2、T3及时间阈值D、D2比对，r代表r1或r2或r3，T代表T1或T2或T3，Dr＜T代表r小于T的时间，Dr＞T代表r大于T的时间。 

实施方式二： 

参考附图2，一种基于脑电的癫痫检测与干预装置包括体内和体外两部分。体外部分包括：记录电极13，脑电采集电路2，脑电分析模块3，无线通信模块31和存储模块6。体内部分包括：脉冲发生电路控制单元41，脉冲发生电路4，刺激电极14。 

与第一种实施方式不同，第二种实施方式将需要严格低功耗设计的脑电采集电路和脑电分析模块移到体外，使这两部分不再受功耗的限制，体内部分的元件也减少。这样一来，体外部分的电路无需特别选用体积小功耗低成本高的元件；检测算法无需进行大量的计算效率优化，且可以运行在计算速度更快的处理器上，可以调用更多的资源，判断癫痫发作与否可以依据更多导脑电的数据，进而提高判断准确性，减少检测延迟；同时，体内部分的体积和功耗大大降低，延长了植入部分的使用寿命，减少了患者手术的身心痛苦和经济负担。 

所述实施方案的体外部分默认工作在脑电记录分析状态，体内部分默认工作在不发放电刺激的待机状态。所述体外部分的脑电采集电路2通过布置于头皮上的记录电极13采集脑电，脑电分析模块3上运行癫痫检测算法和必要的控制程序。所述癫痫检测算法给出是否有癫痫发作的判断，再将判断结果以无线形式发送到体内部分。体内部分的脉冲发生电路4将产生的电脉冲通过刺激电极14传导到所需的神经靶点，体内的控制部分41接收体外无线通信模块31发来的指令进行一些基本控制。如果判断有癫痫发作则脉冲发生电路4的发放电刺激，否则体内部分不工作，保持待机状态仅接收体外部分的无线信号。这一实施方式将需要严格低功耗设计的脑电采集电路和脑电分析模块移到体外，使这两部分不再受功耗的限制，体内部分的元件也减少。因此，体外部分的电路无需特别选用体积小功耗低成本高的元件；检测算法无需进行大量的计算效率优化，且可以运行在计算速度更快的处理器上，可以调用更多的资源，判断癫痫发作与否可以依据更多导脑电的数据，进而提高判断准确性，减少检测延迟；同时，体内部分的体积和功耗大大降 低，延长了植入部分的使用寿命，减少了患者手术的身心痛苦和经济负担。 

所述记录电极13，可以是布置于颅骨内皮层表面的条状电极、栅状电极或可以植入皮层表面以下的深部电极用于记录颅内脑电(皮层脑电ECoG或脑深部局部场电位LFP)，也可以是记录头皮脑电的电极帽和配套的帽状电极。可以配置不少于两个电极，对多个感兴趣部位的脑电进行监测分析。 

所述脑电采集电路2包括：放大单元21，用于将原始脑电信号进行初级放大；滤波单元22，对脑电进行带通滤波；A/D转换器23，将脑电信号从模拟形式转换为数字形式，其输出端通过芯片间接口总线与信号处理模块3的微处理器。芯片间接口总线根据A/D转换器23选用芯片的不同而不同，常用的是I2C总线和SPI总线。实施方案二所述脑电采集电路2由于位于体外，容易获得和更换电源，无需特别选用低功耗元件和进行严格低功耗设计。 

所述信号处理模块3的主体为处理器芯片，或将癫痫检测算法与控制程序固化的定制芯片，由于位于体外，容易获得和更换电源，无需特别选用小体积低功耗元件或进行严格低功耗设计。所述癫痫检测算法采用三种不同的方法独立具有提取三类不同的脑电特征，形成三个检测因子，并据此判断是否有癫痫脑电发作。 

所述脉冲发生电路控制单元41应采用选择低功耗控制芯片，以适应电池供电的植入式医疗仪器的小体积低功耗设计要求。 

所述脉冲发生电路4，与传统神经刺激器保持一致，非本发明关心重点，不做详述。 

所述刺激电极14为可植入电极，用来刺激癫痫相关的神经区域，如脑深部核团、大脑皮层、迷走神经等。 

所述存储模块6为非易失存储器，用来存储脑电信号，在需要的时候读取出来供离线分析研究使用。通常为存储卡或商用存储区芯片，通过USB接口或芯片间接口总线如I2C总线、SPI总线等连接。 

本实施方式根据癫痫检测结果实施癫痫干预的闭环反馈方法按照附图4所述步骤进行，前文已述，不再赘述。 

参照附图5，本发明实施方式一在电池供电的闭环反馈式植入式神经刺激器中集成考虑低功耗的软件流程图，亦可作为实施方案二所述脑电分析模块3的核心程序流程框架。 

实施方式三： 

参照附图3，一种基于脑电的癫痫检测与干预装置包括：记录电极13，脑电采集电路2，脑电分析模块3，报警模块5和存储模块6。该装置通过布置于头皮上的记录电极13和脑电采集电路2采集脑电，并通过脑电分析模块3的控制记录在存储模块6上。脑电分析模块3运行癫痫检测算法给出是否有癫痫发作的判断，将结果发送给报警模块5，供患者家属、医生、护士做出反应对患者进行干预，而不用机器直接对患者进行干预。

与前两种实施方式不同，第三种实施方式无全植入部件，癫痫检测算法检测出癫痫发作后也不直接进行干预，而是通知报警系统检测到癫痫脑电发作的时候进行报警。这一发明可以让常规进行癫痫定位需要住院卧床记录脑电的患者不比持续卧床可以适当活动，也可以让非住院时有癫痫发作的患者佩戴，一旦发出癫痫报警，再由家属、医生、护士对患者进行干预，一定程度的提高了患者的生活质量。 

所述记录电极13，可以是布置于颅骨内皮层表面的条状电极、栅状电极或可以植入皮层表面以下的深部电极用于记录颅内脑电，也可以是记录头皮脑电的电极帽和配套的帽状电极。可配置不少于两个电极，对多个感兴趣部位的脑电进行监测分析。 

所述脑电采集电路2包括：放大单元21，用于将原始脑电信号进行初级放大；滤波单元22，对脑电进行带通滤波；A/D转换器23，将脑电信号从模拟形式转换为数字形式，其输出端通过芯片间接口总线与信号处理模块3的微处理器。芯片间接口总线根据A/D转换器23选用芯片的不同而不同，常用的是I2C总线和SPI总线。本实施方案所述脑电采集电路2由于位于体外，容易获得和更换电源，无需特别选用低功耗元件和进行严格低功耗设计。 

所述信号处理模块3的主体为处理器芯片，或将癫痫检测算法与控制程序固化的定制芯片，由于位于体外，容易获得和更换电源，无需特别选用低功耗元件和进行严格的低功耗设计。所述癫痫检测算法采用三种不同的方法独立具有提取三类不同的脑电特征，形成三个检测因子，并设定相应的阈值，并据此判断是否有癫痫脑电发作。 

所述报警模块5可以是指示灯，声音等能引起别人注意的信号，也可以 结合计算机可视化技术，甚至网络技术实现远程报警、提醒的作用。 

所述存储模块6为非易失存储器，用来存储脑电信号，在需要的时候读取出来供离线分析研究使用。通常为存储卡或商用存储区芯片，通过USB接口或芯片间接口总线如I2C总线、SPI总线等连接。 

本实施方式根据癫痫检测结果实施癫痫干预的闭环反馈方法按照附图4所述步骤进行，前文已述，不再赘述。 

参照附图5，本发明实施方式一在电池供电的闭环反馈式植入式神经刺激器中集成考虑低功耗的软件流程图，亦可作为实施方案三所述脑电分析模块3的核心程序流程框架。