Closed Loop Control of Deep Brain Stimulation: A Simulation Study

Manuscript received December 22, 2009; Revised May 21, 2010; Accepted August 16, 2010; Date of publication September 30, 2010; Aate of current version February 09, 2011.

Sabato Santaniello, Giovanni Fiengo, Luigi Glielmo, Warren M. Grill

Department of Biomedical Engineering, Johns Hopkins University, Baltimore, MD, USA

Department of Biomedical Engineering, Duke University, Durham, NC, USA

脑深部刺激（DBS）是治疗运动障碍的有效疗法。这类运动障碍包括原发性震颤、肌张力障碍和帕金森氏病等。尽管DBS在临床上以使用超过数十年，但DBS的机制仍然不清楚。这种对机制了解的缺乏使得我们对刺激参数的选择具有相当的挑战性。这项工作的目的是开发一个闭环控制系统，根据使用与植入刺激相同的电极从大脑记录的电信号的反馈自动调整刺激幅度以减少振荡性神经元活动。我们在Vim丘脑中模拟了一个由100个自发活跃的模型神经元组成的群体，该群体产生的局部场电位（LFPs）被用作DBS振幅闭环控制的反馈（控制）变量。基于丘脑活动的频谱内容与震颤之间的相关性（Hua , 1998），（Lenz , 1988），我们建立了一个自适应最小方差控制器来调节模拟LFPs的功率谱，并将震颤条件下的LFP功率谱恢复到无震颤条件下的参考曲线。该控制器基于刺激输入和LFP输出之间关系的递归识别自回归模型（ARX），并选择性变化θ（2-7Hz）、α（7-13Hz）和β（13-35Hz）频率范围。该控制器通过这种方式在跟踪参考频谱特征方面表现出色。这种变化反映了模型神经元群体放电模式的变化。并且与开环DBS不同，该系统用类似于无震颤条件下模拟的放电模式取代了震颤相关的病理放电模式。与开环固定强度刺激相比，闭环控制器产生的LFP频谱更接近于无震颤条件下的频谱，并在神经元振荡频率改变后仍然可以适应匹配频谱。这项计算研究表明，闭环控制DBS振幅以调节局部场电位的频谱从而使震颤中出现的神经元放电的异常模式正常化是可行的。

原文：Closed Loop Control of Deep Brain Stimulation: A Simulation Study

译文：脑深部刺激的闭环控制模拟研究