本發(fā)明涉及生物電磁刺激技術(shù)，特別是一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的深度腦刺激電極陣列優(yōu)化系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

帕金森病(Parkinson’s Disease，PD)是一種由中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能退化引起的神經(jīng)退行性疾病，會導(dǎo)致患者肌肉僵硬、震顫、運動徐緩、姿勢步態(tài)異常等癥狀，甚至喪失運動能力，給家庭和社會都帶來了極大的負(fù)擔(dān)。目前PD的臨床療法主要有藥物治療、手術(shù)損毀術(shù)和深度腦刺激(Deep Brain Stimulation，DBS)三種。隨著電磁刺激技術(shù)的不斷發(fā)展，DBS以其微創(chuàng)性、可逆性和可控性在很大程度上取代了原有的藥物治療和手術(shù)損毀術(shù)，成為治療PD的重要腦調(diào)制技術(shù)。DBS主要包含植入式刺激電極、連接導(dǎo)線和脈沖發(fā)生器(Internal Pulse Generator，IPG)三個組成部分，整個系統(tǒng)通過外部的可編程器件遠(yuǎn)程控制IPG，經(jīng)由連接導(dǎo)線對目標(biāo)靶點施加電脈沖刺激。在PD的治療中，常見的目標(biāo)靶點有：底丘腦核(Subthalamic Nuclues，STN)、蒼白球內(nèi)側(cè)(Globus Pallidus interna,GPi)、丘腦腹側(cè)中間核(Ventral intermediate nucleus，Vim)和腳橋核(Pedunculopontine nucleus，PN)。

目前，臨床應(yīng)用中最常見的DBS電極是由美國美敦力公司制造的3387、3389電極，這是美國食品藥物管理局(FDA)在2002年批準(zhǔn)的第一款應(yīng)用于臨床的電極。是由四個直徑為1.27mm、高度為1.5mm的表面電極片構(gòu)成，每個電極為等直徑的圓柱體，表面接觸面積為6mm²。在雙極性刺激模式中，需要開通兩個電極接觸片，一個作為陽極一個作為陰極；在單極性刺激模式中，脈沖發(fā)生器作為陽極，電極片設(shè)置為陰極。單極性刺激的脈沖序列通常為電壓1-5V、脈寬60-200us、頻率120-185Hz的波形。另外，傳統(tǒng)的美敦力電極在臨床治療PD的應(yīng)用中，需要從65種電極配置方式中選擇一種，刺激波形的可調(diào)參數(shù)(電壓、脈寬、頻率)共有25480種組合，作用于病人的特定刺激方式需要臨床醫(yī)生根據(jù)經(jīng)驗從這些組合種中反復(fù)調(diào)節(jié)得到的，以期最大程度的減緩癥狀、最小化負(fù)面影響和刺激能耗，此過程將花費很長時間而且很難得到最優(yōu)的刺激配置。

盡管DBS已經(jīng)成為臨床醫(yī)生和病人廣泛接受的治療方法，其使用過程中仍然存在著許多不足：

其一：DBS電極的圓柱形設(shè)計會對神經(jīng)活動產(chǎn)生對稱的調(diào)節(jié)作用，降低刺激的靈活性，不能有效的作用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的帕金森疾病的刺激靶點，在這種電極設(shè)計方式下，很難施加沒有副作用的刺激。

其二：臨床醫(yī)生通過反復(fù)試驗的方法為病人選取DBS電極的配置方案，包括刺激電極的數(shù)目、刺激波形參數(shù)，如幅值、頻率、脈寬等，這種方法非常耗時而且不能得到最優(yōu)的、個體化的設(shè)計。

動物模型實驗研究表明：DBS療法的作用效果與其對特定目標(biāo)組織放電樣式的調(diào)節(jié)相關(guān)。增加刺激電極的數(shù)目有助于產(chǎn)生空間更加精確的刺激模式。精密加工技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計含有更多電極片的多電極陣列刺激的發(fā)展提供了新的機(jī)會。隨著植入式電極陣列電極數(shù)目的增多，會極大的復(fù)雜化臨床醫(yī)生選取刺激配置的過程，使得人工配置變得不切實際。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的深度腦刺激電極陣列優(yōu)化系統(tǒng)，其目的之一：通過刺激陣列的不同配置方式實現(xiàn)對帕金森疾病的刺激靶點的最優(yōu)刺激及最少的刺激溢出；其目的之二是通過機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法實現(xiàn)對不同刺激配置作用效果的衡量；其目的之三是能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)帕金森疾病的刺激靶點的形態(tài)特征最優(yōu)的選擇刺激配置。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的深度腦刺激電極陣列優(yōu)化系統(tǒng)，其中：該系統(tǒng)包括有相互連接的電極陣列仿真、三維神經(jīng)組織電導(dǎo)模型、生理模型、機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法、電極配置與有效特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫以及方法驗證；電極陣列仿真在三維神經(jīng)組織電導(dǎo)模型的不同空間位置產(chǎn)生不同強度的刺激電場，刺激電場的大小通過ANSYS的有限元求解方法得到；將不同區(qū)域的刺激電場強度分別與生理模型結(jié)合，分析生理模型電活動的變化，應(yīng)用神經(jīng)元活化區(qū)域及網(wǎng)絡(luò)活動改變表征電極陣列仿真的作用效果；應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法對生理模型電活動變化的特征進(jìn)行提取、分類建模，實現(xiàn)對電極陣列仿真效果的定量評估；遍歷電極陣列仿真所有的電極陣列配置模式，得到生理模型的不同電活動變化，經(jīng)由機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法搭建電極配置與有效特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫；方法驗證的過程是指通過對帕金森疾病的刺激靶點的特征進(jìn)行提取后，在電極配置與有效特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫尋找與特征匹配的電極陣列配置模式，然后將選定的刺激作用于帕金森疾病的刺激靶點，通過刺激靶點電活動的變化的分析，驗證此方案的有效性。

本發(fā)明的效果是解決了傳統(tǒng)DBS電極對稱性刺激帶來的副作用，及臨床刺激參數(shù)調(diào)節(jié)反復(fù)試驗的復(fù)雜性問題。傳統(tǒng)的DBS電極的影響范圍是對稱的，而目標(biāo)靶點的幾何形狀通常為不規(guī)則的，因此會對靶點外的神經(jīng)組織產(chǎn)生刺激作用，繼而帶來負(fù)面影響。本發(fā)明中引入電極陣列的結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)電極陣列的不同開關(guān)模式，可以實現(xiàn)對不規(guī)則形狀刺激的最小外溢，能夠降低傳統(tǒng)刺激的負(fù)面影響。本發(fā)明提供的機(jī)器學(xué)習(xí)分類方法，通過對電極配置方法和刺激效果引起的神經(jīng)變化特征進(jìn)行建模，得到電極配置與有效特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。后續(xù)應(yīng)用中即可通過此關(guān)系數(shù)據(jù)庫，依據(jù)刺激靶點的形狀特征及神經(jīng)組織的電活動選取有效的刺激配置方案，從而避免了臨床應(yīng)用中的反復(fù)試湊高耗時的缺點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的深度腦刺激電極陣列優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的生理模型部分示意圖；

圖3為本發(fā)明的機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法流程圖；

圖4為本發(fā)明方法驗證示意圖。

圖中：

1、電極陣列仿真模塊 2、三維神經(jīng)組織電導(dǎo)模型 3、生理模型 4、機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法 5、電極配置與有效特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫 6、方法驗證 7、電極數(shù)目 8、電極寬度 9、電極高度 10、電極直徑 11、電極顯示 12、導(dǎo)線 13、電極 14、封裝層 15、神經(jīng)組織 16、單神經(jīng)元模型 17、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 18、胞體 19、樹突 20、有髓鞘軸突 21、間室間的線性阻抗 22、STN 23、GPe 24、GPi 25、丘腦 26、突觸連接 27、特征提取 28、分類器訓(xùn)練 29、分類模型 30、帕金森疾病的刺激靶點

具體實施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的深度腦刺激電極陣列優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以說明。

本發(fā)明的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的深度腦刺激電極優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計思想是：其一，利用電極陣列代替圓柱形電極，通過選擇性的開通或關(guān)閉某些電極可以保證對具有復(fù)雜形狀的目標(biāo)靶點的最優(yōu)刺激，最小程度的降低刺激外溢。針對電極陣列在特定組織位置產(chǎn)生的刺激電場強度的問題，本發(fā)明首先構(gòu)建電極陣列及其三維神經(jīng)組織電導(dǎo)模型2，利用有限元分析方法進(jìn)行求解；然后將得到的特定電場刺激與脈沖序列結(jié)合后作用于生理模型3，記錄生理模型電活動的變化。其二，將機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法4與生理模型電活動變化結(jié)合，可構(gòu)建一套完整的評價不同電極配置作用效果的度量指標(biāo)。本發(fā)明首先對生理模型電活動的變化，特別是被刺激影響的范圍的特征進(jìn)行提取，然后應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法對這些特征進(jìn)行分類建模，從而得到有效特征的分類器模型，即刺激配置與有效特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫5。其三，為驗證本發(fā)明中所構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的有效性6，提出通過對帕金森疾病的刺激靶點形態(tài)特征進(jìn)行提取，經(jīng)由上述數(shù)據(jù)庫反推電極配置形式，然后將設(shè)定的刺激作用于目標(biāo)靶點即可實現(xiàn)對本系統(tǒng)的方法驗證。

本發(fā)明的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的深度腦刺激電極陣列優(yōu)化系統(tǒng)主要由電極陣列仿真模塊1、三維神經(jīng)組織電導(dǎo)模型2、生理模型3、機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法4、電極配置與有效特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫5、方法驗證6六部分組成。

圖1所示為基于機(jī)器學(xué)習(xí)的深度腦刺激電極陣列優(yōu)化系統(tǒng)的全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括6個部分，電極陣列仿真模塊1、三維神經(jīng)組織電導(dǎo)模型2、生理模型3、機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法4、電極配置與有效特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫5、方法驗證6。電極陣列仿真模塊1和三維神經(jīng)組織電導(dǎo)模型2是在ANSYS軟件中實現(xiàn)，電極陣列仿真模塊1在三維神經(jīng)組織電導(dǎo)模型2的不同位置所產(chǎn)生的刺激電場大小，通過有限元計算得到。其中，電極陣列仿真模塊1主要包含四個電極陣列參數(shù)：電極數(shù)目7、電極寬度8、電極高度9和電極直徑10，以及電極陣列的三維顯示部分11。三維神經(jīng)組織電導(dǎo)模型2包括四個組成部分，用a、b、c、d表示，分別代表導(dǎo)線12、電極13、封裝層14和神經(jīng)組織15。

圖2所示為帕金森病灶區(qū)的生理模型部分示意圖，包括單神經(jīng)元模型16和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型17兩部分。其中單神經(jīng)元模型16包含胞體18、樹突19、有髓鞘軸突20和連接不同間室的線性阻抗21組成，用來驗證電極陣列不同刺激配置模式對單神經(jīng)元放電特性的影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型17包含STN22、GPe23、GPi24、丘腦25以及突觸連接26五部分，用來研究電極陣列不同刺激配置模式對基底核神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動的影響。

圖3所示為機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法流程圖，主要由特征提取27、分類器訓(xùn)練28、分類模型29三部分組成。其中特征提取階段主要是對單神經(jīng)元或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受影響區(qū)域特征進(jìn)行預(yù)處理、模型表示和特征提取權(quán)重確定。分類器訓(xùn)練階段擬采用k最鄰近算法、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林等分類算法進(jìn)行分類訓(xùn)練。分類模型29主要通過將其它待分類特征作為分類模型的輸入，然后對其輸出的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗證，以證明分類模型的正確性。

圖4所示為方法驗證示意圖，通過神經(jīng)影像數(shù)據(jù)等可得到帕金森疾病的刺激靶點30的形態(tài)特征，將此形態(tài)特征作為電極配置與有效特征的關(guān)系數(shù)據(jù)庫5的輸入，得到相應(yīng)的電極陣列刺激配置方案1作為輸出，然后將此刺激施加于帕金森疾病的刺激靶點，觀察帕金森疾病的刺激靶點30的生理活動變化，以驗證此方案的有效性。