癫痫的电刺激治疗技术

癫痫的电刺激治疗

10.1 引言

癫痫是一种中枢神经系统疾病，与大脑电活动的不规则发作有关，导致复发性癫痫发作（抽搐）。这些癫痫发作可分为部分性发作，也称为局灶性发作，即大脑的一个小区域（病灶）受到影响；或全面性发作，即大脑大部分区域受到影响。部分性发作可进一步分为单纯性发作，患者在整个发作过程中意识完全清醒；或复杂部分性发作，影响大脑更大区域，导致意识混乱和意识受损。而全面性发作则影响大脑大部分区域，导致意识丧失以及不受控制的肌肉抽搐和抖动。继发性全面性发作是指部分性发作扩散到大脑其他区域并发展为全面性发作。

在癫痫发作起始前，患者可能会有一种预感或先兆，提示即将发生癫痫发作。另一种癫痫发作形式是癫痫持续状态，持续时间超过30分钟，可能导致脑损伤，甚至致命。当癫痫发作对药物治疗无反应时，该癫痫疾病被称为难治性癫痫或耐药性癫痫，其定义为经过两种适当选择、合理使用且耐受良好的抗癫痫药物（AED）充分试验后，仍未能实现持续的癫痫发作自由（Kwan 等，2010）。

癫痫发作的原因并不总是明确的，可能受到中风、肿瘤和头部外伤等物理创伤的影响；药物、低血糖水平或麻醉药品引起的化学失衡；脑膜炎等感染；甚至闪烁的光的影响。无论具体原因如何，脑损伤的原因，癫痫发作与神经元电信号的中断或紊乱有关，导致无法控制的异常脑电活动，有时被称为电风暴。癫痫目前无法治愈，但可以通过药物、控制饮食、神经外科手术或电刺激在一定程度上进行控制。抗癫痫药物可以阻止癫痫发作的发生，但一旦发作开始则无法终止。生酮饮食依赖身体脂肪来源提供能量，而不是依靠碳水化合物分解葡萄糖来供能。体内脂肪分解后产生的酮类化学物质已被证实有助于预防癫痫发作。生酮饮食本质上是一种高脂肪、低碳水化合物、蛋白质受控的饮食。神经外科手术和电刺激可用于识别引发癫痫发作的大脑区域。癫痫发作灶被称为致痫灶，可通过手术切除或与大脑其他部分分离。深部脑刺激可通过植入深部脑结构（如丘脑）的电极传递电刺激，从而控制癫痫发作活动。研究表明，对丘脑前核(ANT)进行电刺激可显著降低癫痫发作频率（费舍尔等人，2010）。反应性皮层刺激在检测到异常脑电活动时向癫痫发作灶输送电刺激，也被证明能够减少癫痫发作的频率（莫雷尔等人，2011）。

迷走神经刺激(VNS)也可用于癫痫的治疗，通过向颈部左侧迷走神经施加电刺激脉冲，将电刺激传递至大脑。研究表明，VNS可降低癫痫发作的频率，但仅作为处方抗癫痫药物的辅助治疗手段使用。

10.2 癫痫发作检测方法

减少癫痫发作的有效性不仅取决于对致痫灶或多个病灶的高效定位，还依赖于检测癫痫发作的开始。神经脑活动通过放置在脑部或脑内的电极记录为皮层脑电图（ECoG）。当检测到异常ECoG时，会输送刺激脉冲以干扰并恢复正常活动。患者特异性ECoG记录模板和波形检测算法可在癫痫发作起始前优化癫痫发作的分析和预测，从而生成后续的电刺激响应。

癫痫患者脑电图（EEG）记录显示出两种不同的异常大脑活动时期：发作前期（preictal），代表癫痫发作的开始；以及发作期（ictal），代表实际的癫痫发作。发作前期的特点是明显的尖峰和短暂的锐利波形，而发作期则表现出异常快速的脑电活动。图10.1显示了在B2和A1处检测到的异常皮层脑电活动，随后在Tr点进行了电刺激，刺激后ECoG恢复至基线水平。在刺激期间及之后，传感放大器空白期存在短暂的时间，表现为一条直线。

检测出发作前期的尖峰可能为即将到来的癫痫发作提供早期预警。随后，已开发出多种尖峰检测算法，这些算法基于幅度、持续时间和斜率锐度等尖峰特征来预测癫痫发作起始。这些算法主要包括在时域或频域对脑电图波形的一段进行采样，提取相关特征，并将尖峰参数分类为预先定义好的已知特征。用于自动癫痫发作检测的技术包括：模拟法、模板匹配、小波分析和人工神经网络。

模拟法（如半波法）使用峰值检测技术将脑电图波形分解为连续极大值和极小值之间的片段。从这些方向相邻且相反的片段中提取出半波，并从中获取幅度和持续时间特征。一个完整的波由两个背靠背的半波组成，由此可提取波的斜率特征。通过对半波的平均幅度进行计算，可得到一个移动平均值，并用于与尖峰幅度进行比较。其他可用于提取的特征包括：面积、能量和功率谱密度。

模板匹配包括将一段脑电图与已知的描述发作前事件的发作前脑电图模板进行互相关运算，并将输出结果与阈值进行比较，若超过该阈值，则提示可能检测到癫痫发作。

频域分析将脑电波形分解为不同的频率段以进行后续分析，通常使用快速傅里叶变换、加窗傅里叶变换或离散小波变换来实现。

人工神经网络利用一个初始训练期，之后网络将学习如何检测脑电图波形中的参数和特征，这些参数和特征可能表明癫痫发作的可能开始。

10.3 NeuroPace RNSs刺激器 神经刺激器

NeuroPace RNSs神经刺激器用于治疗成人局灶性发作和/或继发性全面性发作，通过检测大脑中的特定类型电活动，并以自适应水平的电刺激作出响应，在癫痫发作开始前有效恢复正常电活动。植入前通常使用脑电图记录和磁共振成像等影像扫描技术识别大脑区域，以帮助确定不超过两个癫痫灶位置，从而确定后续的电极位置和可能诱发癫痫发作的刺激阈值水平。

NeuroPace RNSs刺激器采用三种癫痫发作检测技术：半波、面积和线长，这些技术均可配置，使得参数可调以优化性能。线长算法检测幅度和频率的变化，其中线长定义为在短期窗口内相邻样本间绝对差值的平均值，然后将其与长期窗口平均值进行比较。当超过正或负阈值时，检测发生。面积算法类似于识别与频率无关的能量变化，其中面积定义为短期窗口内曲线下平均绝对面积，然后将其与后续长期背景窗口内曲线下平均面积进行比较。当超过正或负阈值时，检测发生。

)

图10.2 展示了植入在颅骨内的NeuroPace RNSs神经刺激器，该神经刺激器连接至一个NeuroPaces皮层条状电极导线和一个 NeuroPaces深部电极导线。该神经刺激器包含四个输入通道，可连续感知，并随时记录和存储长达30分钟的皮层脑电活动。当检测到异常皮层脑电图模式时，神经刺激器会向致痫灶发送一串刺激脉冲，以中断并恢复正常皮层脑电活动。可以使用两种类型的颅内电极导线（参见图10.3），即植入大脑表面的皮层条状电极导线和根据癫痫灶位置植入大脑内部的深部电极导线。每根导线包含四个电极，这些电极连接至两个四输入通道之一。

)

图10.3 所示的神经刺激器可被编程以监测一个或两个癫痫灶，并可在检测到特定皮层脑电图模式时递送最多五种独立的顺序刺激模式。

刺激序列由双相电流脉冲组成，每相的可编程脉宽在40至 1000 µs之间，频率范围为 1–333赫兹，最大电流输出为12毫安。每种刺激模式可包含两个独立配置的刺激爆发，持续时间为10毫秒至5秒之间。外部编程棒可实现皮层脑电图数据、刺激参数和神经刺激器状态的感应式无线传输。通过将外部磁铁放置在植入物上方可抑制刺激，若已编程，将磁铁放置在植入物上方将触发皮层脑电图活动记录。该神经刺激器采用电池供电，配备3伏特、705毫安时容量的电池，预期工作寿命约为4年，具体取决于使用情况。

10.4 赛博尼克斯公司VNS

赛博尼克斯VNS由可植入脉冲发生器、导线、电极和外部编程器组成。刺激器被植入左上胸部区域皮下，并连接到附着在左侧迷走神经上的双极电极（图10.4）。刺激治疗包括通过左侧迷走神经以固定间隔向大脑发送电流脉冲，昼夜不停。刺激器包含一个内部干簧管开关，可通过外部

)

磁铁激活，当患者感觉到癫痫发作先兆或先兆时，可进行按需刺激。只需将磁铁扫过植入物即可启动刺激治疗。提供两种磁铁：一种是手表式磁铁，附着于腕带；另一种是寻呼机式磁铁，可附着于腰带或皮带。

脉冲发生器（图10.5）采用CMOS技术实现，由内置锂碳氟化物 3.3V电池供电，并通过内部DC DC转换器将电压升压，使输出级最高达到12伏特。刺激脉冲由电荷平衡双相电流脉冲组成，可在0.25毫安步进范围内编程，最大达3.5毫安，脉冲宽度范围为130至1000 µ微秒，可编程刺激频率最高达30赫兹。该电池最大容量为1.7安时，可使刺激器持续工作长达10年。通过使用编程棒对植入设备进行感应耦合，实现数据的传输。