将诊所带回家：支持自适应深部脑刺激的家庭多模态数据收集生态系统

摘要

该协议展示了家庭多模态数据收集平台的原型，该平台支持优化神经运动障碍患者的自适应深部脑刺激（aDBS）的研究。我们还介绍了将该平台部署到帕金森病患者家中一年多的主要发现。

摘要

适应性脑深部刺激 （aDBS） 有望改善帕金森病 （PD） 等神经系统疾病的治疗。aDBS使用与症状相关的生物标志物实时调整刺激参数，以更精确地针对症状。为了实现这些动态调整，必须为每个患者确定 aDBS 算法的参数。这需要临床研究人员进行耗时的手动调整，因此很难为单个患者找到最佳配置或扩展到多个患者。此外，当患者在家时，在诊所内配置的 aDBS 算法的长期有效性仍然是一个悬而未决的问题。为了大规模实施这种疗法，需要一种在远程监测治疗结果的同时自动配置aDBS算法参数的方法。在本文中，我们分享了一个家庭数据收集平台的设计，以帮助该领域解决这两个问题。该平台由一个开源的集成硬件和软件生态系统组成，允许在家中收集神经、惯性和多摄像头视频数据。为了确保患者身份数据的隐私，该平台通过虚拟专用网络加密和传输数据。这些方法包括对数据流进行时间对齐和从视频记录中提取姿态估计。为了演示该系统的使用，我们将该平台部署到帕金森病患者的家中，并在 1.5 年的时间里收集了自我指导临床任务和自由行为期间的数据。记录亚治疗、治疗和超治疗刺激幅度的数据，以评估不同治疗条件下的运动症状严重程度。这些时间对齐的数据表明，该平台能够同步家庭多模态数据收集，以进行治疗评估。该系统架构可用于支持自动化 aDBS 研究、收集新数据集以及研究临床外 DBS 治疗对神经系统疾病患者的长期影响。

引言

脑深部刺激 （DBS） 通过将电流直接输送到大脑的特定区域来治疗帕金森病 （PD） 等神经系统疾病。据估计，全世界有 850 万例帕金森病病例，当药物不足以控制症状时，DBS 已被证明是一种关键疗法 ^1,2。然而，DBS 的有效性可能会受到副作用的限制，这些副作用有时由通常以固定振幅、频率和脉冲宽度³ 进行的刺激引起。这种开环实施对症状状态的波动没有反应，导致刺激设置与患者不断变化的需求不相适应。DBS进一步受到耗时的刺激参数调整过程的阻碍，目前由临床医生为每个患者手动执行。

自适应 DBS （aDBS） 是一种闭环方法，通过在检测到与症状相关的生物标志物时实时调整刺激参数，被证明是 DBS 的有效下一次迭代 ^3,4,5。研究表明，丘脑底核 （STN） 中的 β 振荡 （10-30 Hz） 在运动迟缓期间持续发生，运动迟缓是 PD ^6,7 的特征。同样，已知皮层中的高伽马振荡 （50-120 Hz） 发生在运动障....

研究方案

患者通过加州大学旧金山分校的 aDBS 协议 # G180097⁵ 的更大规模 IRB 和 IDE 批准的研究入组。参加本研究的患者还专门为本研究提供了知情同意书。

1. 家用系统组件

1. 中央服务器和 VPN
   1. 购买一台运行基于 Linux 的操作系统 （OS） 的个人计算机 （PC），专门用于提供 VPN。将机器存放在安全的房间内。磁盘对机器进行加密，确保数据安全。
   2. 将 VPN 服务器配置为至少在一个端口上可公开访问。
      注意：在这种情况下，这是通过与 IT 部门合作实现的，通过大学的 DNS 托管选项为服务器提供面向外部的静态 IP 地址和自定义 URL。
   3. 对于服务器安装，请在选择提供 VPN 的 PC 上完成以下步骤。
      1. 防火墙配置：在PC终端运行以下命令，安装和配置简单的防火墙：
         sudo apt 安装 ufw
         sudo ufw 允许 ssh
         sudo ufw allow <端口号>/udp
         sudo ufw 启用
      2. 服务器 VPN 安装：在 PC 上安装开源 WireGuard VPN 协议¹⁶ 并导航到安装目录。在PC终端，运行 <....

讨论

我们分享了多模态数据收集平台的家庭原型设计，以支持神经调控研究的未来研究。该设计是开源和模块化的，因此可以更换任何硬件，并且可以更新或更改任何软件组件，而不会使整个平台崩溃。虽然收集和去标识化神经数据的方法特定于所选的 INS，但行为数据收集的其余方法和整体方法与使用哪种植入式设备无关。我们将该平台部署到帕金森病患者的家中，并在实验和自然时期收集数据。在.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Analysis RCS Data Processing	OpenMind		https://github.com/openmind-consortium/Analysis-rcs-data, open-source
Apple Watches	Apple, Inc		Use 2 watches for each patient, one on each wrist
BRIO ULTRA HD PRO BUSINESS WEBCAM	Logitech	960-001105	Used 3 in our platform design
DaVinci Resolve video editing software	DaVinci Resolve		used to support camera calibration
Dell XPS PC	Dell		2T hard disk drive, 500GB SSD
Dropbox	Dropbox
ffmpeg	N/A		open-source, install to run the Video Recording App
Gooseneck mounts for webcams	N/A
GPU	Nvidia		A minimum of 8GB GPU memory is recommended to run OpenPose, 12GB is ideal
Java 11	Oracle		Install to run the Video Recording App
Microsoft Surface tablet	Microsoft
NoMachine	NoMachine		Ideal when using a Linux OS, open-source
OpenPose	N/A		open-source
Rclone file transfer program	Rclone		Encrypts data and copies or moves data to offsite storage, open-source
StrivePD app	RuneLabs		We installed the app on the Apple Watches to start recordings and upload data to an online portal.
Summit RC+S neuromodulation system	Medtronic		For investigational use only
touchscreen-compatible monitor	N/A
Video for Linux 2 API	The Linux Kernel		Install if using a Linux OS for video recording
Wasabi	Wasabi		Longterm cloud data storage
WireGuard VPN Protocol	WireGuard		open-source