專利名稱：基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及醫療電子器械領域，具體涉及一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統。
背景技術：
大腦功能區病變，主要指位于運動、感覺和語言區的腫瘤，血管畸形和癲癇灶，其發病率由世界衛生組織在我國組織的大規模的調查報告僅僅癲癇的患病率就有8%。，我國現有癲癇病人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治療，這還不包括位于功能區的低級別膠質瘤，轉移瘤，原發良性腫瘤，海綿狀血管瘤和動靜脈畸形等。大腦功能區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量，同時造成的個人、社會和經濟負擔都是長久且巨大的，已成為嚴重的社會、經濟和人文關懷問題。
神經外科手術治療是大腦功能區病變首選治療方法之一，通過功能區定位確定大腦神經腦功能區邊界，幫助醫生最大限度地切除病灶而控制腫瘤的生長和復發，同時盡可能地保護病灶周圍的正常腦組織，避免神經功能損害，保留正常的神經功能，關系到病人術后的生存質量。如何術中準確實時“腦功能區”定位就是此類手術的關鍵。
目前，神經皮質(運動區)功能定位的方法主要包括顯微神經外科技術、神經影像技術、神經電生理技術等方法。
經典解剖功能定位對于臨床醫學具有重要意義，但有一定誤差，由于個體差異及腫瘤的占位效應，引起功能區推移和重塑，經典解剖功能定位誤差可達20_。
依靠影像技術的高分辨率螺旋CT及功能型磁共振(f-MRI)，以及單光子發射計算機斷層掃描(SPECT)、正電子發射計算機斷層掃描(PET)、腦磁圖(MEG)及手術導航系統多可以做到皮質生理解剖定位，但影像學方法存在一定假陽性，尚不能實時監測手術進程以及確定腦功能的狀態。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會出現最大可達20mm的誤差。正電子發射計算機斷層掃描(PET)系統也可以對腦代謝活躍的區域進行定位，但是它與電生理刺激所顯示的功能區，僅有65% 的符合率。
基于電生理技術的術中皮質或皮質下直接電刺激術可實時確定運動、感覺、語言甚至記憶等腦功能的皮質和皮質下功能區定位，是目前最準確、可信的常用腦功能區定位方法，基于電生理技術的術中皮質或皮質下直接電刺激術的精確度可達5 mm左右；但是存在電刺激可能損傷大腦皮質、觸發癲癇和二次手術等問題，而且操作時間長達0.5至數小時。
上述功能區定位方法的缺陷已表現在神經外科手術治療實踐中，傳統手術的功能定位技術不能完全分辨和掌握功能結構與病變的關系，極易在切除病灶時導致大腦功能結構損害，據統計傳統手術的永久性神經功能損害并發癥為13-27%。另外，由于功能區病變手術容易出現嚴重并發癥，也使得手術醫生手術切除不積極，常常進行姑息性切除，如低級別膠質瘤的完全切除和次全切除率僅為43%。這樣不僅使病變術后治療變得困難，而且容易造成疾病的復發或癥狀難以控制，嚴重影響治療預后。
由此可見，目前的神經皮質(運動區)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手術需要。如何能在術中準確、快速、無創，甚至非喚醒狀態下定位腦功能區是一直困擾臨床和神經醫學研究的基礎理論問題，亟待解決。
目前國內外尚未見有一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統的報道；同時，國內外也尚無在臨床上應用的基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統。因此研發具有自主知識產權的基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，實現準確、快速、無創的腦運動區功能定位，將幫助醫生最大限度地切除病灶，同時盡可能地保護正常腦功能，提高患者術后生存質量，對未來大腦外科手術具有重大的應用價值。同時，為下一步皮質腦電定位高級認知功能皮質的生物機理科學研究提供新的技術方法手段，對未來大腦高級認知功能科學研究具有重大意義。具有巨大的社會和經濟效應前景。發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的缺陷，以運動區特異性腦電mu節律為原理，結合小波變換，公開一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統。該系統能夠準確、快速、無創地檢測運動功能區腦電信號輸入，并完成腦運動區功能定位圖的輸出，通過腦運動區皮質腦電信號mu節律的特異性分析，實現人體神經系統大腦皮質運動區功能定位的準確、快速、無創臨床應用。
mu節律是大腦的感覺運動區皮質的特異性腦電節律，肢體的真實運動或想象運動會在感覺運動皮層區域引起mu和beta節律的事件相關去同步化(ERD)和事件相關同步化(ERS)，而且不同肢體運動的ERD/ERS在皮質運動區上的空間分布也符合軀體特定區域分布的特征。因此，通過檢測皮質運動功能區中存在著的特異性腦電mu節律，及其在肢體運動時產生的ERD/ERS在皮質上的空間分布，可以靜態和動態檢測定位皮質運動功能區的空間分布。小波變換具有多分辨特性，利用Mallat的分解與重構快速算法可以從運動區腦電中提取出mu節律，為運動區特異性腦電信號mu節律檢測提供了有力工具。
基于上述原理，本發明所采用的技術方案如下所述一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，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處理單元、mu節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，經由腦電信號預處理單元進行預處理濾波，傳送至mu節律特征提取單元提取特異性mu節律特征，再通過模式分類單元進行分類，最后通過功能區定位地圖輸出模塊反饋定位結果。
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轉換器，植入式電極采集腦電信號，經由放大濾波器進行放大濾波處理，然后通過A/D轉換器將腦電信號轉換為數字信號，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上。放大濾波器和A/D轉換器采用Synamps2放大器，用于電極檢測信號的放大和數字化。
所述腦電信號預處理單元的預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算法的分解和重構算法見公式 (3)。所述mu節律特征提取單元提取d6單層細節系數，然后進行全點數重構，其重構后的信號Sd6作為mu節律輸出。所述模式分類單元以40%為特征閾值對mu節律進行是/否分類，識別特異性電極。
權利要求
1.一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，包括腦電信號米集模塊，信號處理模塊，功能區定位地圖輸出模塊，其特征在于所述信號處理模塊包括腦電信號預處理單元、mu節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，經由腦電信號預處理單元進行預處理濾波，傳送至mu節律特征提取單元提取特異性 mu節律特征，再通過模式分類單元進行分類，最后通過功能區定位地圖輸出模塊反饋定位結果。
2.根據權利要求1所述的一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，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轉換器，植入式電極采集腦電信號，經由放大濾波器進行放大濾波處理，然后通過A/D轉換器將腦電信號轉換為數字信號，最后輸入到信號處理模塊。
3.根據權利要求2所述的一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，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.根據權利要求3所述的一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，其特征在于所述植入式電極安放在人的大腦皮質上。
5.根據權利要求2所述的一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，其特征在于放大濾波器和A/D轉換器采用Synamps2放大器，用于電極檢測信號的放大和數字化。
6.根據權利要求1所述的一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，其特征在于所述腦電信號預處理單元的預處理濾波包括多尺度分解。
7.根據權利要求6所述的一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，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，具體根據如公式(1)
8.根據權利要求7所述的一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，其特征在于所述mu節律特征提取單元僅提取d6單層細節系數，其他系數置零，然后其中，ER為運動事件前2秒內的各子頻帶重構信號的每個采樣點值的平方和，EA為計算運動事件后2秒內的各子頻帶重構信號的每個采樣點值的平方和。
9.根據權利要求8所述的一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，其特征在于所述模式分類單元以40%為特征閾值對mu節律進行是/否分類，識別特異性電極。
10.根據權利要求9所述的一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，其特征在于所述功能區定位地圖輸出模塊輸出的運動特異性功能區定位圖，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。進行全點數重構，其重構后的信號Sd6作為mu節律輸出，重構信號特征量(運動事件發生前后2秒內能量比ERD)的計算見公式(2)，
全文摘要
本發明公開了一種基于皮質腦電mu節律小波分析的術中運動區功能定位系統，該系統通過植入電極陣列采集皮質腦電信號，經放大濾波器處理，再經A/D轉換器輸入信號處理模塊；信號處理模塊的腦電信號預處理單元通過小波分析的分解與重構算法，對各電極采集的數據進行預處理濾波，mu節律特征提取單元和模式分類單元采用基于mu節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，最后完成功能區定位圖處理輸出。本發明公開的定位系統能夠準確、快速、無創地檢測運動功能區腦電信號并完成輸出腦運動區功能定位圖。通過腦運動區皮質腦電信號的特異性分析，實現人體神經外科手術的大腦皮質運動區術中功能定位臨床應用。
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 優先權日2011年12月20日
發明者吳效明, 姜濤, 王偉民, 白紅民 申請人:華南理工大學