專利名稱：基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(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，具體涉及一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(qū)功能定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
大腦功能區(qū)病變，主要指位于運動、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，海綿狀血管瘤和動靜脈畸形等。大腦功能區(qū)病變不僅嚴重威脅人的生命，而且嚴重影響病人的生存和生活質(zhì)量，同時造成的個人、社會和經(jīng)濟負擔都是長久且巨大的，已成為嚴重的社會、經(jīng)濟和人文關(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)，同時盡可能地保護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)中準確實時“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)(運動區(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)影像技術(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)射計算機斷層掃描(SPECT)、正電子發(fā)射計算機斷層掃描(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，尚不能實時監(jiān)測手術(shù)進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行功能定位，病變影響腦皮層的血液供應(yīng)會出現(xiàn)最大可達20mm的誤差。正電子發(fā)射計算機斷層掃描(PET)系統(tǒng)也可以對腦代謝活躍的區(qū)域進行定位，但是它與電生理刺激所顯示的功能區(qū)，僅有65% 的符合率。
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)可實時確定運動、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，而且操作時間長達0.5至數(shù)小時。
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，極易在切除病灶時導(dǎo)致大腦功能結(jié)構(gòu)損害，據(jù)統(tǒng)計傳統(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，嚴重影響治療預(yù)后。
由此可見，目前的神經(jīng)皮質(zhì)(運動區(qū))功能定位方法在速度、準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。
目前國內(nèi)外尚未見有一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(qū)功能定位系統(tǒng)的報道；同時，國內(nèi)外也尚無在臨床上應(yīng)用的基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(qū)功能定位系統(tǒng)。因此研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(qū)功能定位系統(tǒng)，實現(xiàn)準確、快速、無創(chuàng)的腦運動區(qū)功能定位，將幫助醫(yī)生最大限度地切除病灶，同時盡可能地保護正常腦功能，提高患者術(shù)后生存質(zhì)量，對未來大腦外科手術(shù)具有重大的應(yīng)用價值。同時，為下一步皮質(zhì)腦電定位高級認知功能皮質(zhì)的生物機理科學(xué)研究提供新的技術(shù)方法手段，對未來大腦高級認知功能科學(xué)研究具有重大意義。具有巨大的社會和經(jīng)濟效應(yīng)前景。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，以運動區(qū)特異性腦電mu節(jié)律為原理，結(jié)合小波變換，公開一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(qū)功能定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準確、快速、無創(chuàng)地檢測運動功能區(qū)腦電信號輸入，并完成腦運動區(qū)功能定位圖的輸出，通過腦運動區(qū)皮質(zhì)腦電信號mu節(jié)律的特異性分析，實現(xiàn)人體神經(jīng)系統(tǒng)大腦皮質(zhì)運動區(qū)功能定位的準確、快速、無創(chuàng)臨床應(yīng)用。
mu節(jié)律是大腦的感覺運動區(qū)皮質(zhì)的特異性腦電節(jié)律，肢體的真實運動或想象運動會在感覺運動皮層區(qū)域引起mu和beta節(jié)律的事件相關(guān)去同步化(ERD)和事件相關(guān)同步化(ERS)，而且不同肢體運動的ERD/ERS在皮質(zhì)運動區(qū)上的空間分布也符合軀體特定區(qū)域分布的特征。因此，通過檢測皮質(zhì)運動功能區(qū)中存在著的特異性腦電mu節(jié)律，及其在肢體運動時產(chǎn)生的ERD/ERS在皮質(zhì)上的空間分布，可以靜態(tài)和動態(tài)檢測定位皮質(zhì)運動功能區(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)快速算法可以從運動區(qū)腦電中提取出mu節(jié)律，為運動區(qū)特異性腦電信號mu節(jié)律檢測提供了有力工具。
基于上述原理，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下所述一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(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、mu節(jié)律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)處理單元進行預(yù)處理濾波，傳送至mu節(jié)律特征提取單元提取特異性mu節(jié)律特征，再通過模式分類單元進行分類，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db3小波變換進行7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mu節(jié)律特征提取單元提取d6單層細節(jié)系數(shù)，然后進行全點數(shù)重構(gòu)，其重構(gòu)后的信號Sd6作為mu節(jié)律輸出。所述模式分類單元以40%為特征閾值對mu節(jié)律進行是/否分類，識別特異性電極。
權(quán)利要求
1.一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(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、mu節(jié)律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)處理單元進行預(yù)處理濾波，傳送至mu節(jié)律特征提取單元提取特異性 mu節(jié)律特征，再通過模式分類單元進行分類，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所述的一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(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所述的一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(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所述的一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(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所述的一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(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所述的一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(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所述的一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述多尺度分解利用離散db3小波變換進行7層小波分解，具體根據(jù)如公式(1)
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述mu節(jié)律特征提取單元僅提取d6單層細節(jié)系數(shù)，其他系數(shù)置零，然后其中，ER為運動事件前2秒內(nèi)的各子頻帶重構(gòu)信號的每個采樣點值的平方和，EA為計算運動事件后2秒內(nèi)的各子頻帶重構(gòu)信號的每個采樣點值的平方和。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(qū)功能定位系統(tǒng)，其特征在于所述模式分類單元以40%為特征閾值對mu節(jié)律進行是/否分類，識別特異性電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(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動特異性功能區(qū)定位圖，是以模式分類單元識別的特異性電極坐標為邊界點擬合邊界曲線。進行全點數(shù)重構(gòu)，其重構(gòu)后的信號Sd6作為mu節(jié)律輸出，重構(gòu)信號特征量(運動事件發(fā)生前后2秒內(nèi)能量比ERD)的計算見公式(2)，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于皮質(zhì)腦電mu節(jié)律小波分析的術(shù)中運動區(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)進行預(yù)處理濾波，mu節(jié)律特征提取單元和模式分類單元采用基于mu節(jié)律特征提取和分類算法進行特征提取和分類，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)能夠準確、快速、無創(chuàng)地檢測運動功能區(qū)腦電信號并完成輸出腦運動區(qū)功能定位圖。通過腦運動區(qū)皮質(zhì)腦電信號的特異性分析，實現(xiàn)人體神經(jīng)外科手術(shù)的大腦皮質(zhì)運動區(qū)術(shù)中功能定位臨床應(yīng)用。
文檔編號A61B5/0478GK102512161SQ20111042919
公開日2012年6月27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)