产生刺激参数的方法、电刺激控制装置以及电刺激系统

摘要

本发明提供一种产生刺激参数的方法、电刺激控制装置以及电刺激系统。在接收脑波信号之后，拆解脑波信号而获得第一子信号与第二子信号。接着，分析第一子信号以获得本质频率序列。并且，转换第二子信号为布尔信号。之后，以本质频率序列与布尔信号作为一组刺激参数而输出至刺激器，使得刺激器产生刺激信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种神经学的疾病控制，尤其涉及一种产生刺激参数的方法、电刺激控制装置以及电刺激系统。

背景技术

癫痫是慢性神经疾病最常见的症候群，全世界约有六千万人罹患癫痫，其中近三成的人仍无法以目前的抗癫痫药物获得有效的控制发作，需要非药物的辅助治疗。癫痫手术虽然有效但仍然有病人不适用脑部切除的治疗方法，只能选用神经调控手术以减少严重的发作。无论是传统癫痫手术或新的神经调控手术都需要对发作脑波做精准的分析判断，确定发作的脑区或是让神经调控术的植入器确定发作时间。

癫痫的发作期间，依照病理生理的表征及脑波信号的特征，大致可分为下述几个阶段，包含：发作间(inter-ictal)、发作前(pre-ictal)、不规则期(irregular phase)、爆发期(bursting phase)，其中，后三阶段属于癫痫发作的病症阶段(ictal phase)。近期研究指出，在特定的阶段输出对应的电刺激信号，对于神经调控的效果有很大的影响。然而，最近的研究指出当提供到各个发作阶段时，刺激并非同样地有效。延续很久的电刺激会增加此病患的耐受性，因此对病患的电刺激有效性会渐渐将低。而且，电刺激是很耗能源的。因此，如何在检测到癫痫发作判断出特定的阶段之后，给与对应的电刺激，为目前智能神经刺激器很大的课题。

发明内容

本发明是针对一种产生刺激参数的方法、电刺激控制装置以及电刺激系统，能够针对所接收的脑波信号来产生对应的刺激参数。

本发明的产生刺激参数的方法，包括：获取脑波信号；拆解脑波信号而获得第一子信号与第二子信号，其中第一子信号的频率高于第二子信号的频率；分析第一子信号以获得本质频率序列(intrinsic frequency series)，本质频率序列包括至少一频率成分；转换第二子信号为布尔信号；以及以本质频率序列与布尔信号作为一组刺激参数而输出至刺激器，使得刺激器产生刺激信号。

在本发明的一实施例中，上述拆解脑波信号而获得第一子信号与第二子信号的步骤包括：利用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)将脑波信号拆解为第一子信号与第二子信号。

在本发明的一实施例中，上述分析第一子信号以获得本质频率序列的步骤包括：对第一子信号执行频谱分析算法以获得本质频率序列，其中频谱分析算法为傅立叶变换(Fourier transform)算法、小波转换(wavelet transform)算法以及正规化希尔伯特转换(Hilbert transform)算法其中一个。

在本发明的一实施例中，上述转换第二子信号为布尔信号的步骤包括：对第二子信号执行二值化演算来获得布尔信号。

在本发明的一实施例中，上述执行二值化演算包括：计算第二子信号的主频率；以及基于主频率来产生布尔信号。

在本发明的一实施例中，上述产生刺激参数的方法还包括：接收脑波信号以及与脑波信号相对应的序号，并将序号记录至参数表的指定序列中。在获得本质频率序列与布尔信号之后，将本质频率序列与布尔信号的频率作为一组刺激参数而记录至参数表中与所述序号对应的位置。

在本发明的一实施例中，上述在将本质频率序列与布尔信号的频率作为一组刺激参数而记录至参数表中与序号对应的位置之后，还包括：基于指定序列，依序将记录在参数表中的一组刺激参数输入至刺激器，以产生刺激信号。

本发明的电刺激控制装置，包括：信号获取电路，经配置以获取脑波信号；处理器，耦接至信号获取电路，且经配置以：拆解脑波信号而获得第一子信号与第二子信号，其中第一子信号的频率高于第二子信号的频率；分析第一子信号以获得本质频率序列，本质频率序列包括至少一频率成分；以及转换第二子信号为布尔信号；以及存储装置，耦接至处理器，且经配置以存储本质频率序列以及布尔信号；其中，处理器传送本质频率序列以及布尔信号至刺激器，以使得刺激器基于本质频率序列与布尔信号产生刺激信号。

本发明的电刺激系统，包括：信号获取电路，经配置以接收脑波信号；处理器，耦接至信号获取电路，且经配置以：拆解脑波信号而获得第一子信号与第二子信号，其中第一子信号的频率高于第二子信号的频率；分析第一子信号以获得本质频率序列，本质频率序列包括至少一频率成分；以及转换第二子信号为布尔信号；存储装置，耦接至处理器，且经配置以存储本质频率序列以及布尔信号；以及刺激器，耦接至处理器，且经配置以：接收本质频率序列以及布尔信号，并基于本质频率序列与布尔信号产生刺激信号。

基于上述，本发明可针对脑波信号的本质频率(intrinsic frequency)产生对应的刺激参数。

附图说明

图1是依照本发明一实施例的电刺激控制装置的方块图；

图2是依照本发明一实施例的产生刺激信号的方法流程图；

图3是依照本发明一实施例的电刺激系统的方块图。

附图标记说明

100:电刺激控制装置

110:信号获取电路

120:处理器

130:存储装置

201:拆解模块

203:重建模块

205:频谱分析模块

207:刺激参数表

300:电刺激系统

310:刺激器

X(t):脑波信号

C1:第一子信号

C2:第二子信号

D:布尔信号

E:本质频率序列

F:刺激信号

S205～S225:产生刺激信号的方法各步骤

具体实施方式

图1是依照本发明一实施例的电刺激控制装置的方块图。请参照图1，电刺激控制装置100至少包括信号获取电路110、处理器120以及存储装置130。处理器120耦接至信号获取电路110以及存储装置130。电刺激控制装置100可以是台式计算机、笔记本电脑、智能手机等具有运算能力的装置。

信号获取电路110可由集成电路或微芯片来实现。在此，信号获取电路110所接收的脑波信号可以是特定阶段的信号，例如为爆发期(bursting phase)的信号。在此，例如可通过一检测器(未示出)先在脑波信号中找出癫痫的发作期间的特定阶段(例如爆发期阶段)的脑神经信号，之后，将脑神经信号传送至电刺激控制装置100中。

一般而言，脑波信号处理算法的演算步骤主要为：特征获取(Featureextraction)及分类判读(Classification)，而在进行棘波检测(Spike detection)后，再针对其检测结果转换为癫痫发作的判读。而后将取得到的特征输入到判断模型中来进行分类判断。判断模型大致上需经过训练进行建立，方可使用，而其方法有类神经网络(Artificial neural network)、支持向量分类器(Support vector machine)、线性分类器(Linear classification model)、模糊理论模型(Fuzzy logic model)、自我学习模型(AutoLearn system)等。

处理器120例如为中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、物理处理单元(Physics Processing Unit，PPU)、可程序化的微处理器(Microprocessor)、嵌入式控制芯片、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、特殊应用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)或其他类似装置。

存储装置130例如是任意型式的固定式或可移动式随机存取内存(Random AccessMemory，RAM)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、闪存(Flash memory)、硬盘或其他类似装置或这些装置的组合。存储装置130中存储有多个代码段，上述代码段在被安装后，由处理器120来执行，以实现后述产生刺激参数的方法。

图2是依照本发明一实施例的产生刺激参数的方法流程图。底下参照图1及图2来进行说明。在步骤S205中，信号获取电路110来获取脑波信号。接着，在步骤S210中，处理器120拆解脑波信号而获得第一子信号与第二子信号。在此，第一子信号的频率高于第二子信号的频率。举例来说，可利用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)将脑波信号拆解为第一子信号与第二子信号。第一子信号例如为主频信号。

之后，在步骤S215中，处理器120分析第一子信号以获得本质频率序列(intrinsicfrequency series)。所述本质频率序列包括至少一频率成分。并且，在步骤S220中，处理器120转换第二子信号为布尔信号。在此，对第二子信号执行二值化演算来获得布尔信号，进而以此布尔信号作为开关信号。

在步骤S225中，处理器120以本质频率序列与布尔信号作为一组刺激参数而输出至刺激器，使得刺激器产生刺激信号。例如，在获得本质频率序列与布尔信号之后，处理器120将本质频率序列与布尔信号的频率作为一组刺激参数而记录至存储装置130的参数表中。之后，再从参数表中依序来输出刺激参数至刺激器。

底下再举一例来说明电刺激系统。图3是依照本发明一实施例的电刺激系统的方块图。请参照图3，电刺激系统300包括电刺激控制装置100以及刺激器310。在本实施例的电刺激控制装置100中，设计拆解模块201、重建模块203以及频谱分析模块205，由处理器120来执行拆解模块201、重建模块203以及频谱分析模块205，以自脑波信号X(t)中来获得刺激参数。在此，拆解模块201以及频谱分析模块205于演算上，可针对脑波信号X(t)的本质频率产生对应的电刺激参数。而重建模块203可针对特定的阶段状态，调阅对应的刺激开启与关闭。即，重建模块203是作为刺激控制的启动装置。

信号获取电路110接收脑波信号X(t)以及与脑波信号X(t)对应的序号“NO.1”。信号获取电路110将脑波信号X(t)传送给拆解模块201，并将序号“NO.1”记录至刺激参数表207的指定序列中。

拆解模块201在接收到脑波信号X(t)之后，对脑波信号X(t)进行非稳态的拆解，以获得第一子信号C1与第二子信号C2，并且将第一子信号C1传送给频谱分析模块205，将第二子信号C2传送给重建模块203。频谱分析模块205对第一子信号C1执行频谱分析算法以获得本质频率序列E。频谱分析算法为傅立叶变换(Fourier transform)算法、小波转换(wavelet transform)算法以及正规化希尔伯特转换(Hilbert transform)算法其中一个。本质频率序列E包括至少一个频率成分。在本实施例中，本质频率序列E包括两个频率成分，即421Hz与180Hz。之后，将本质频率序列E所包括的两个频率成分输出至刺激参数表207中与所述序号“NO.1”对应的位置。

重建模块203对第二子信号C2执行二值化演算来获得布尔信号D。例如，重建模块203计算第二子信号C2的主频率，之后基于主频率来产生布尔信号D。所述仅为举例说明，并不以此为限，可以采用能将第二子信号C2转换为布尔信号D的任何一种二值化演算。在此，以布尔信号D作为开关信号。假设第二子信号C2的主频率为8Hz，则生成1秒钟具有8个周期的布尔信号D，每一个周期包括两个布尔值(true以及false)。在此，重建模块203是做为刺激控制的启动装置，通过重建模块203来产生作为开关信号的布尔信号D。之后，将布尔信号D的频率(作为ON/OFF(开关)频率，8Hz)输出至刺激参数表207中与所述序号“NO.1”对应的位置。

另外，信号获取电路110还可继续接收另一脑波信号以及与其对应的序号“NO.2”，并且如同对上述序号“NO.1”的脑波信号X(t)的处理来对序号“NO.2”的脑波信号执行相同的处理，而将与序号“NO.2”对应的刺激参数(ON/OFF频率以及频率成分)输出至刺激参数表207中与所述序号“NO.2”对应的位置。以此类推，可在刺激参数表207中依据指定序列来记录下多组刺激参数。

之后，处理器120基于指定序列中所记录的序号，依序将其对应的一组刺激参数输出至刺激器310，使得刺激器310基于刺激参数来产生刺激信号F。即，先输出序号“NO.1”对应的刺激参数至刺激器310来产生刺激信号F，接着输出序号“NO.2”对应的刺激参数至刺激器310来产生另一刺激信号，以此类推，直到将刺激参数表207的指定序列中的最后一个序号对应的刺激参数输出至刺激器310来产生刺激信号。

综上所述，本发明可产生对应于脑波信号的刺激参数，有助于产生更准确的刺激信号，藉此降低不确定性。