專利名稱：基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療電子器械領(lǐng)域，具體涉及一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
大腦功能區(qū)病變，主要指位于運(yùn)動(dòng)、感覺和語言區(qū)的腫瘤，血管畸形和癲癇灶，其發(fā)病率由世界衛(wèi)生組織在我國組織的大規(guī)模的調(diào)查報(bào)告僅僅癲癇的患病率就有8%。，我國現(xiàn)有癲癇病人1000多萬人，其中藥物難治性癲癇占癲癇病人的30%左右，我國目前有300 萬的難治性癲癇病人需要手術(shù)治療，這還不包括位于功能區(qū)的低級別膠質(zhì)瘤，轉(zhuǎn)移瘤，原發(fā)良性腫瘤，海綿狀血管瘤和動(dòng)靜脈畸形等。大腦功能區(qū)病變不僅嚴(yán)重威脅人的生命，而且嚴(yán)重影響病人的生存和生活質(zhì)量，同時(shí)造成的個(gè)人、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)都是長久且巨大的，已成為嚴(yán)重的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人文關(guān)懷問題。神經(jīng)外科手術(shù)治療是大腦功能區(qū)病變首選治療方法之一，通過功能區(qū)定位確定大腦神經(jīng)腦功能區(qū)邊界，幫助醫(yī)生最大限度地切除病灶而控制腫瘤的生長和復(fù)發(fā)，同時(shí)盡可能地保護(hù)病灶周圍的正常腦組織，避免神經(jīng)功能損害，保留正常的神經(jīng)功能，關(guān)系到病人術(shù)后的生存質(zhì)量。如何術(shù)中準(zhǔn)確實(shí)時(shí)“腦功能區(qū)”定位就是此類手術(shù)的關(guān)鍵。目前，神經(jīng)皮質(zhì)(運(yùn)動(dòng)區(qū))功能定位的方法主要包括顯微神經(jīng)外科技術(shù)、神經(jīng)影象技術(shù)、神經(jīng)電生理技術(shù)等方法。經(jīng)典解剖功能定位對于臨床醫(yī)學(xué)具有重要意義，但有一定誤差，由于個(gè)體差異及腫瘤的占位效應(yīng)，引起功能區(qū)推移和重塑，經(jīng)典解剖功能定位誤差可達(dá)20_。依靠影像技術(shù)的高分辨率螺旋CT及功能型磁共振(f-MRI)，以及單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(SPECT)、正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(PET)、腦磁圖(MEG)及手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)多可以做到皮質(zhì)生理解剖定位，但影像學(xué)方法存在一定假陽性，尚不能實(shí)時(shí)監(jiān)測手術(shù)進(jìn)程以及確定腦功能的狀態(tài)。功能型磁共振(f-MRI)是依靠腦血流中血氧水平進(jìn)行功能定位，病變影響腦皮層的血液供應(yīng)會(huì)出現(xiàn)最大可達(dá)20mm的誤差。正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(PET) 系統(tǒng)也可以對腦代謝活躍的區(qū)域進(jìn)行定位，但它與電生理刺激所顯示的功能區(qū)，僅有65% 的符合率?；陔娚砑夹g(shù)的術(shù)中皮質(zhì)或皮質(zhì)下直接電刺激術(shù)可實(shí)時(shí)確定運(yùn)動(dòng)、感覺、語言甚至記憶等腦功能的皮質(zhì)和皮質(zhì)下功能區(qū)定位，是目前最準(zhǔn)確、可信的常用腦功能區(qū)定位方法，基于電生理技術(shù)的術(shù)中皮質(zhì)或皮質(zhì)下直接電刺激術(shù)的精確度可達(dá)5 mm左右；但是存在電刺激可能損傷大腦皮質(zhì)、觸發(fā)癲癇和二次手術(shù)等問題，而且操作時(shí)間長達(dá)0.5至數(shù)小時(shí)。上述功能區(qū)定位方法的缺陷已表現(xiàn)在神經(jīng)外科手術(shù)治療實(shí)踐中，傳統(tǒng)手術(shù)的功能定位技術(shù)不能完全分辨和掌握功能結(jié)構(gòu)與病變的關(guān)系，極易在切除病灶時(shí)導(dǎo)致大腦功能結(jié)構(gòu)損害，據(jù)統(tǒng)計(jì)傳統(tǒng)手術(shù)的永久性神經(jīng)功能損害并發(fā)癥為13-27%。另外，由于功能區(qū)病變手術(shù)容易出現(xiàn)嚴(yán)重并發(fā)癥，也使得手術(shù)醫(yī)生手術(shù)切除不積極，常常進(jìn)行姑息性切除，如低級別膠質(zhì)瘤的完全切除和次全切除率僅為43%。這樣不僅使病變術(shù)后治療變得困難，而且容易造成疾病的復(fù)發(fā)或癥狀難以控制，嚴(yán)重影響治療預(yù)后。由此可見，目前的神經(jīng)皮質(zhì)(運(yùn)動(dòng)區(qū))功能定位方法在速度、準(zhǔn)確和安全性方面不能完全滿足腦功能區(qū)手術(shù)需要。如何能在術(shù)中準(zhǔn)確、快速、無創(chuàng)，甚至非喚醒狀態(tài)下定位腦功能區(qū)是一直困擾臨床和神經(jīng)醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)理論問題，亟待解決。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于以運(yùn)動(dòng)區(qū)特異性腦電慢皮層電位為原理，結(jié)合小波變換，公開一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速、無創(chuàng)地檢測運(yùn)動(dòng)功能區(qū)腦電信號輸入，并通過腦運(yùn)動(dòng)區(qū)慢皮層腦電信號的特異性分析，完成腦運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位圖的輸出，實(shí)現(xiàn)人體神經(jīng)系統(tǒng)大腦皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位的準(zhǔn)確、快速、無創(chuàng)臨床應(yīng)用。具有特異性的慢皮層電位(SCP)在所有個(gè)體中都存在。皮質(zhì)腦電中的低頻特征是皮層產(chǎn)生緩慢的電壓變化，這些電壓的偏移可以發(fā)生在0.5-10秒的時(shí)間內(nèi)，被稱為慢皮層電位(SCP)。慢皮層電位是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的事件相關(guān)電位ERP，產(chǎn)生于頭頂深部大腦皮層。慢皮層電位與運(yùn)動(dòng)和皮層激活有關(guān)，負(fù)向的慢皮層電位與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的皮層活動(dòng)有關(guān)，而正向的慢皮層電位與皮層興奮程度的下降有關(guān)。真實(shí)運(yùn)動(dòng)的事件相關(guān)電位ERP反映了運(yùn)動(dòng)皮層在肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)興奮或抑制的狀態(tài)，不同肢體運(yùn)動(dòng)的ERP在頭皮上的空間分布也符合軀體特定區(qū)域分布的特征。因此，通過檢測在肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慢皮層電位(SCP)在皮質(zhì)上的空間分布，可以動(dòng)態(tài)檢測定位皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)功能區(qū)的空間分布。小波變換具有多分辨特性，利用 Mallat的分解與重構(gòu)快速算法可以從運(yùn)動(dòng)區(qū)腦電中提取出慢皮層電位，為運(yùn)動(dòng)區(qū)特異性腦電信號SCP檢測提供了有力工具?；谏鲜鲈?，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下所述
一種基于慢皮層腦電小波分析的神經(jīng)外科術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，包括腦電信號采集模塊，信號處理模塊，功能區(qū)定位地圖輸出模塊，所述信號處理模塊包括腦電信號預(yù)處理單元、SCP信號特征提取單元和模式分類單元；腦電信號采集模塊采集的腦電信號，經(jīng)由腦電信號預(yù)處理單元進(jìn)行預(yù)處理濾波，傳送至SCP信號特征提取單元提取特異性SCP特征信號，再通過模式分類單元進(jìn)行分類，最后通過功能區(qū)定位地圖輸出模塊反饋定位結(jié)果。所述腦電信號采集模塊包括植入式電極、放大濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器，植入式電極采集腦電信號，經(jīng)由放大濾波器進(jìn)行放大濾波處理，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將腦電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后輸入到信號處理模塊。所述植入式電極為硬膜鉬電極，包括鉬6*8或8*8電極陣列，電極直徑為4mm，相鄰電極間距為10mm。植入式電極安放在人的大腦皮質(zhì)上。放大濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器采用 Synamps2放大器，用于電極檢測信號的放大和數(shù)字化。所述腦電信號預(yù)處理單元的預(yù)處理濾波包括多尺度分解。所述多尺度分解利用離散小波變換進(jìn)行8層小波分解，采用的小波Mallat算法的分解和重構(gòu)算法見公式 (3)。所述SCP信號特征提取單元提取a8單層細(xì)節(jié)系數(shù)，然后進(jìn)行全點(diǎn)數(shù)重構(gòu)，其重構(gòu)后的信號SdS作為SCP輸出。所述模式分類單元以1. 6為特征閾值對SCP信號進(jìn)行是/否分類， 識別特異性電極。
權(quán)利要求
1.一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，包括腦電信號米集模塊，信號處理模塊，功能區(qū)定位地圖輸出模塊，其特征在于所述信號處理模塊包括腦電信號預(yù)處理單元、SCP信號特征提取單元和模式分類單元；腦電信號采集模塊采集的腦電信號，經(jīng)由腦電信號預(yù)處理單元進(jìn)行預(yù)處理濾波，傳送至SCP信號特征提取單元提取特異性 SCP節(jié)律特征，再通過模式分類單元進(jìn)行分類，最后通過功能區(qū)定位地圖輸出模塊反饋定位結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述腦電信號采集模塊包括植入式電極、放大濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器，植入式電極采集腦電信號，經(jīng)由放大濾波器進(jìn)行放大濾波處理，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將腦電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后輸入到信號處理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述植入式電極為硬膜鉬電極，包括鉬6*8或8*8電極陣列，電極直徑為 4mm，相鄰電極間距為10mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述植入式電極安放在人的大腦皮質(zhì)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于放大濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器采用Synamps2放大器，用于電極檢測信號的放大和數(shù)字化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述腦電信號預(yù)處理單元的預(yù)處理濾波包括多尺度分解。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述多尺度分解利用離散db5小波變換進(jìn)行8層小波分解，其根據(jù)如公式 (1)
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述SCP信號特征提取單元僅提取a8單層細(xì)節(jié)系數(shù)，然后進(jìn)行全點(diǎn)數(shù)重構(gòu)，其重構(gòu)后的信號SaS作為SCP輸出，SaS重構(gòu)信號特征量(運(yùn)動(dòng)事件發(fā)生前后2秒內(nèi)能量比ERD)的計(jì)算見公式⑵(2)；
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述模式分類單元以1. 6為特征閾值對SCP進(jìn)行是/否分類，識別特異性電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述功能區(qū)定位地圖輸出模塊輸出的運(yùn)動(dòng)特異性功能區(qū)定位圖，是以模式分類單元識別的特異性電極坐標(biāo)為邊界點(diǎn)擬合邊界曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于腦電慢皮層電位小波分析的術(shù)中運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過植入電極陣列采集皮質(zhì)腦電信號，經(jīng)放大濾波器處理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入到信號處理模塊；信號處理模塊的腦電信號預(yù)處理單元通過小波分析的分解與重構(gòu)算法，對各電極采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理濾波，SCP信號特征提取單元和模式分類單元采用基于SCP信號特征提取和分類算法進(jìn)行特征提取和分類，識別各電極的特異性屬性，最后完成功能區(qū)定位圖處理輸出。本發(fā)明公開的定位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速、無創(chuàng)地檢測運(yùn)動(dòng)功能區(qū)腦電信號并完成輸出腦運(yùn)動(dòng)區(qū)功能定位圖。通過腦運(yùn)動(dòng)區(qū)皮質(zhì)腦電信號的特異性分析，實(shí)現(xiàn)人體神經(jīng)外科手術(shù)的大腦皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)術(shù)中功能定位臨床應(yīng)用。
文檔編號A61B5/0476GK102429658SQ20111042922
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者吳效明, 姜濤, 王偉民, 白紅民 申請人:華南理工大學(xué)