基于腦電的癲癇預(yù)警及預(yù)警——抑制診療系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、癲癇是一種常見的、多發(fā)的慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病。癲癇發(fā)作可引起運(yùn)動(dòng)、感覺、意識(shí)和行為等功能障礙，給患者帶來巨大的痛苦。全球癲癇患者約為5000萬人，其中百分之八十的患者能夠通過藥物及手術(shù)的方式得到治療，但仍有近1000萬患者病情得不到有效控制，給家庭和社會(huì)帶來極大的精神和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，迫切需要新的有效癲癇治療手段。
　　近年來，隨著神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，以反應(yīng)性神經(jīng)電刺激技術(shù)為代表的癲癇治療新手段迅速發(fā)展，有望為難治性癲癇

2、治療帶來新的希望。與傳統(tǒng)的開環(huán)電刺激方式不同，反應(yīng)性電刺激采用“癲癇預(yù)警-電刺激抑制”的閉環(huán)框架，該框架首先利用信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于腦電的癲癇預(yù)警，當(dāng)且僅當(dāng)系統(tǒng)預(yù)警到癲癇發(fā)作時(shí)啟動(dòng)電刺激抑制，以阻止或減輕癲癇發(fā)作，實(shí)現(xiàn)癲癇診療。反應(yīng)性電刺激癲癇診療框架可以極大地減少電刺激用量，顯著降低組織傷害風(fēng)險(xiǎn)，有望為癲癇臨床治療，特別是難治性癲癇治療帶來新突破。因此，反應(yīng)性電刺激技術(shù)已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，許多大學(xué)和研究團(tuán)體均投入力量開展相關(guān)技術(shù)研究

3、，并有商業(yè)化產(chǎn)品問世。
　　本文研究反應(yīng)性電刺激“預(yù)警-抑制”閉環(huán)系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，緊密聚焦現(xiàn)有技術(shù)尚未解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，研究腦電中癲癇有效特征的提取方法、腦電中強(qiáng)噪聲的處理方法，以及癲癇腦電動(dòng)態(tài)過程的建模方法，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、魯棒的癲癇預(yù)警。在此基礎(chǔ)上，研究實(shí)時(shí)預(yù)警-反應(yīng)性電刺激抑制軟硬件系統(tǒng)，并在動(dòng)物平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1)針對(duì)癲癇腦電發(fā)放模式變化多樣、個(gè)體差異大的問題，本文提出了一種自

4、動(dòng)特征學(xué)習(xí)的深度網(wǎng)絡(luò)模型。該模型以傳統(tǒng)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)，融合基于相關(guān)熵的深度自編碼模型，可以自動(dòng)依據(jù)數(shù)據(jù)的分布狀況計(jì)算樣本點(diǎn)的距離，解決了傳統(tǒng)模型在強(qiáng)噪聲下失效的問題。并且，該深度網(wǎng)絡(luò)模型可以根據(jù)不同病人的癲癇腦電數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)表示癲癇發(fā)作的最優(yōu)特征，實(shí)驗(yàn)表明，采用該方法選擇的特征提升檢測率超過10％以上。
　　2)針對(duì)腦電信號(hào)中大量肌電、眼電偽跡和硬件噪聲干擾導(dǎo)致預(yù)警算法虛警率高、魯棒性差的問題，本文提出了一種基于柯西分布的狀態(tài)

5、空間模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)癲癇腦電狀態(tài)的動(dòng)態(tài)建模。研究表明腦電信號(hào)中噪聲分布呈現(xiàn)出更多的非高斯特性，本文采用重尾的柯西分布建立噪聲模型。同時(shí)，癲癇腦電的發(fā)放是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，為充分借助腦電時(shí)序信息，本文建立了柯西噪聲狀態(tài)空間模型，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)估計(jì)和腦電動(dòng)態(tài)建模方法，以更加準(zhǔn)確地對(duì)大腦狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。該方法準(zhǔn)確估計(jì)和抑制了腦電信號(hào)中的非高斯噪聲，減少了由噪聲引起的虛警。臨床實(shí)驗(yàn)表明，該癲癇預(yù)警方法能夠有效降低虛警率（約降低91％）。
　　3)在穩(wěn)定

6、、魯棒的癲癇預(yù)警方法的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研發(fā)了在線預(yù)警-抑制反應(yīng)性電刺激閉環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了多種預(yù)警方法、數(shù)據(jù)采集和電刺激硬件，以及實(shí)時(shí)控制軟件系統(tǒng)。在動(dòng)物平臺(tái)上，采用該系統(tǒng)研究了反應(yīng)性電刺激癲癇抑制的效果。基于大鼠癲癇模型的對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，通過反應(yīng)性電刺激，癲癇平均發(fā)作時(shí)長縮短32％，證明反應(yīng)性電刺激系統(tǒng)具有顯著的癲癇抑制效果。
　　綜上，本文圍繞基于腦電信號(hào)的癲癇預(yù)警和“預(yù)警-抑制”反應(yīng)性電刺激癲癇診療系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，提出具