ES2791480T3 - Sistema de estimulación craneal multisitio - Google Patents

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ES2791480T3 ES09806467T ES09806467T ES2791480T3 ES 2791480 T3 ES2791480 T3 ES 2791480T3 ES 09806467 T ES09806467 T ES 09806467T ES 09806467 T ES09806467 T ES 09806467T ES 2791480 T3 ES2791480 T3 ES 2791480T3
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Abstract

El método comprende aplicar unos estímulos individuales a diferentes zonas de un cerebro, mediante la aplicación de unas señales de estímulo determinadas a unos correspondientes elementos de estimulación dispuestos adyacentes a dichas zonas de dicho cerebro. El método comprende realizar uno o más modelos simplificados del cerebro, o de uno o más sectores del mismo, considerando al cerebro, o al sector del mismo cuando es el caso, como un sistema oscilatorio acoplado no lineal, y comprende determinar dichas señales de estímulo para que sean aptas para excitar uno o más modos naturales de vibración de dicho sistema oscilatorio acoplado no lineal. El sistema comprende unos elementos de estimulación (E1, E2...En) dispuestos adyacentes a unas zonas de un cerebro, y un sistema electrónico en conexión con los elementos de estimulación (E1, E2...En) y previsto para aplicarles unas correspondientes señales de estímulo, y para determinarlas aplicando el método propuesto.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de estimulación craneal multisitio
Campo de la técnica
La presente divulgación concierne en general a un método de estimulación craneal multisitio que comprende aplicar unos estímulos individuales a diferentes zonas de un cerebro, y en particular a un método que comprende determinar las señales de estímulo a aplicar para que sean aptas para excitar uno o más modos naturales de vibración del cerebro, o de un sector del mismo, visto como un sistema oscilatorio acoplado no lineal.
La invención también concierne a un sistema de estimulación craneal multisitio apto para implementar el método propuesto por el la presente divulgación.
Técnica anterior
Se conocen diversas propuestas enfocadas a la estimulación craneal, tanto de tipo intracraneal como de tipo transcraneal, ya sea mediante la aplicación de unos impulsos magnéticos en la proximidad de las zonas a estimular, o estimulación TMS, o mediante la aplicación de señales eléctricas, entre las cuales se encuentran la estimulación tDCS, la ENS ó la TES. Algunas de ellas utilizan el concepto “multisitio”, es decir la disposición de una pluralidad de elementos de estimulación (electrodos o bobinas magnéticas, en función de que la estimulación sea eléctrica o magnética) en diferentes zonas neuronales para suministrar una pluralidad de estímulos. Otras incorporan también el concepto de “feedback”, es decir el monitorizar la actividad cerebral para controlar los estímulos a aplicar en función de las señales monitorizadas.
A continuación se indican varias de dichas propuestas consideradas como representativas del estado de la técnica referido a la estimulación craneal, ya sea de tipo magnético o aplicando directamente señales eléctricas.
Por la solicitud US2006161219 se conoce un sistema y un método para estimular el tejido nervioso del cerebro de una persona mediante la aplicación de pulsos eléctricos en múltiples ubicaciones, con el fin de tratar múltiples afecciones. Se indica en dicho documento que los electrodos mediante los cuales se aplican los mencionados estímulos se implantan en el cráneo de la persona. Se propone aplicar unos estímulos magnéticos mediante TMS de manera previa a la implantación de los electrodos con el fin de averiguar si el paciente es un buen candidato para dicha implantación. La aplicación de electrodos en múltiples ubicaciones tiene como fin el tratar varias afecciones a la vez, cada una de ellas mediante la aplicación de un correspondiente programa de estimulación. En US2006161219 no se enseña ni se sugiere el tratamiento de una única afección mediante la aplicación de estímulos en las mencionadas múltiples ubicaciones para producir un efecto conjunto.
La patente US7257439 propone un sistema y un método basados en la disposición en el interior de un flujo sanguíneo próximo a un tejido neuronal, por ejemplo el cerebral, de una pluralidad de nanoelectrodos, independientes o agrupados en un conjunto ordenado o “array”, con el fin de monitorizar la actividad neuronal con algunos de los electrodos, aplicar unos estímulos eléctricos a través de otros electrodos, y volver a monitorizar la actividad neuronal y compararla con la primeramente monitorizada. Entre las principales aplicaciones que se proponen se encuentran las relativas a elaborar una interfaz cerebro-máquina o posibilitar el control de una prótesis. Se proponen una serie de algoritmos para clasificar las señales monitorizadas, provinentes de múltiples neuronas, en respectivos estados funcionales según unos patrones espaciotemporales. Por lo que se refiere a la estimulación neuronal, en US7257439 no se proponen estrategias, algoritmos o programas específicos para llevarla a cabo. Simplemente se indica que, en función del algoritmo utilizado, se analizan las señales monitorizadas de una u otra manera, y por ende se toman unas u otras decisiones.
Por otra parte, por el documento de patente EP1703940A1 se propone un sistema y un método para administrar estimulación eléctrica (ENS) y estimulación magnética (TMS) a diferentes zonas del cuerpo de un paciente, ya sea de manera conjunta o seleccionando uno de ambos tipos de estimulación. Se propone adaptar los parámetros de la estimulación en función de la respuesta a la estimulación, monitorizada por ejemplo mediante un electroencefalograma (EEG). Como ejemplos de los parámetros a variar en el caso de la estimulación TMS se indican: ancho del pulso, frecuencia, intensidad y orientación magnética.
En la solicitud de patente US2004138578A1 se propone un sistema y un método para estimular el cerebro de un paciente en función de unas señales bioeléctricas del mismo, tales como las representativas de un EEG. Se describe la adaptación en tiempo real de una estimulación TMS aplicada sobre varias zonas cerebrales mediante la utilización de una realimentación bidireccional de dichas señales bioeléctricas, para en función de las mismas variar los parámetros de dicha estimulación, tales como la duración, el tiempo y la naturaleza pulsátil de las bobinas TMS. En su fase inicial la estimulación también se aplica en función de una monitorización previa de dichas señales bioeléctricas, las cuales determinan un perfil emocional-cognitivo del paciente. En dicho documento no se enseña ni se sugiere realizar dicha estimulación, ni en su inicio ni durante su aplicación, en función de otras variables o premisas más que las referentes al mencionado perfil emotivo-cognitivo del paciente.
En la patente US6488617 se propone realizar una realimentación en lazo cerrado entre, por ejemplo, la salida de un sistema de monitorización EEG y la entrada de control de un sistema TMS, con el fin de modificar un estado cerebral hasta conseguir alcanzar el deseado. Se propone controlar diferentes parámetros de la estimulación TMS (magnitud, movimiento, duración, etc.). Se indica asimismo la posibilidad de realizar un control independiente de los imanes o bobinas, con el fin de que cada uno de ellos genere un único campo magnético a una frecuencia única. En US6488617 no se enseña ni se sugiere la aplicación de dicho control para conseguir una estimulación donde cada uno de los estímulos individuales colabore con los demás para conseguir un efecto conjunto, en base al cual determinar previamente las características de cada uno de los estímulos individuales.
El documento WO20081077440 describe un aparato para estimular el cerebro de una persona, en particular a través de un órgano sensorial, tal como un ojo de la persona, para restaurar regiones dañadas del órgano sensorial o áreas en el cerebro que procesan información sensorial u otra información. Este documento describe un sistema de estimulación craneal multisitio que comprende una pluralidad de elementos de estimulación dispuestos adyacentes a una pluralidad correspondiente de diferentes regiones de un cerebro y un sistema electrónico en conexión con dicha pluralidad de elementos de estimulación y previsto para aplicar a ellos la señal de estímulo correspondiente con el propósito de estimular individualmente dicha pluralidad de regiones del cerebro. Cumin y otros, "Generalising the Kuramoto model for the study of neuronal synchronisation in the brain", PHYSIcA D, NORTH-HOLLAND, AMSTERDAM, NL, vol. 226, no. 2, 2 de febrero de 2007, páginas 181-196 y US 2005/124848 explican que un modelo simplificado del cerebro o de un sector del mismo que se considera un sistema oscilante acoplado no lineal es un tema bien conocido en el campo.
Una de las conclusiones más importantes a la que se llega al analizar el estado de la técnica, es que ambas, la estimulación TMS y la tDCS, adolecen de una especificidad y de una focalidad limitadas (Wagner y otros, Noninvasive Human Brain Stimulation, Ann. Rev. Biomed. Eng. 2007, 9:19.1-19.39).
Estudios recientes revelan que el soporte estructural de la actividad cerebral implica la actividad orquestada de regiones cerebrales diferentes y separadas espacialmente (ver Ray C, Ruffini G, Marco-Pallarés J, Fuentemilla Ll, Grau C., Complex networks in brain electrical activity, Europhysics letters. 2007), con, incluso, frecuencias y fases específicas. Verdaderamente un importante desafío para la neurociencia es el de mapear y analizar los patrones espaciotemporales de la actividad de grandes poblaciones de neuronas, los cuales se cree que son responsables de procesar la información en el cerebro humano. El cerebro es quizás el sistema más interesante de todos los sistemas complejos, con cientos de billones de neuronas altamente interconectadas con procesamiento de información basado en tiempos y escalas espaciales diferentes (Buzsaki G, Draguhn A (2004) Neuronal oscillations in cortical networks. Science 304:1926-19293).
El cerebro puede ser estudiado como una herramienta de modelado de patrones, donde son analizadas las entradas del entorno, una vez transformadas por transducción mediante unos sensores corporales. La capacidad para modelar entradas del entorno es crucial para la supervivencia de organismos superiores. Las redes neuronales responsables de esta tarea determinan si la información entrante necesita alterar profundamente las dinámicas del cerebro (robustez) o ajustarlas (respuesta), incluso de manera dramática, con el fin de responder efectivamente (Bar-Yam and Epstein 2004).
A modo de ejemplo, algunos hallazgos previos soportan la idea de que las zonas supratemporal e inferior frontal trabajan juntas en el procesado de datos para determinar las diferencias entre sonidos. En este marco se plantea que un conjunto de grupos neuronales distribuido espacialmente que son activados de manera coherente y forman parte de la misma representación forman una asociación (Engel AK, Fries P, Singer W (2001) Dynamic predictions: Oscillations and synchrony in top-down processing. Nature Reviews Neuroscience 2:704-7164). En otros términos, el cerebro podría describirse como una serie de redes distribuidas locales de neuronas enlazadas de manera transitoria mediante conexiones dinámicas recíprocas, que soporta integración funcional (Varela F, Lachaux JP, Rodriguez E, Martinerie J (2001) The brainweb: Phase synchronization and large-scale integration. Nature Reviews Neuroscience 2:229-2391).
Al mismo tiempo, se piensa en la actualidad que el cerebro puede verse mejor como un sistema oscilatorio acoplado no lineal, en el cual diferentes áreas contribuyen al mismo tiempo en diferentes procesos.
No se conocen propuestas relativas a la estimulación craneal multisitio que tenga en cuenta la mencionada visión del cerebro como un sistema oscilatorio acoplado no lineal, para determinar los estímulos individuales a aplicar. El documento WO2008077440A1 describe un aparato y un método para estimular el cerebro de una persona mediante la aplicación de una y la misma señal de estimulación eléctrica (EES) a uno o varios electrodos activos de un sistema de estimulación local bipolar o multipolar que tiene también un electrodo pasivo o de referencia, es decir, no de un sistema de estimulación multisitio. En el método y aparato descritos en el documento WO2008077440A1 no se utiliza ningún modelo cerebral.
Cumin y otros, " Generalising the Kuramoto model for the study of neuronal synchronisation in the brain", PHYSICA D, NORTH-HOLLAND, AMSTERDAM, NL, vol. 226, no. 2, 2 de febrero de 2007, páginas 181-196, divulga el desarrollo de un modelo de Kuramoto generalizado para estudiar los efectos de la sincronía neuronal cerebral y la realización de algunas pruebas con el modelo utilizando una red oscilatoria acoplada, para que el modelo acomode la naturaleza adaptativa de las neuronas en el cerebro. No se describe ninguna implementación práctica del modelo propuesto en Cumin y otros.
El documento US2005124848A1 describe un método y un aparato para la modificación electromagnética de la actividad cerebral, basado en un modelo de actividad cerebral definido como siguiendo ecuaciones diferenciales no lineales o que tiene componentes estocásticos o con el objetivo de utilizar resonancia estocástica, es decir, resonancia inducida por ruido, particularmente relacionado con el ruido blanco, ya que este tipo de ruido es el que contiene componentes estocásticos. El documento US2005124848A1 no describe la determinación y el uso, en un sistema multisitio, de señales de estímulo individuales con diferentes frecuencias, fases y amplitudes entre diferentes elementos de estimulación para obtener un resultado global causado por la sinergia de los estímulos individuales. Divulgación de la invención
La invención proporciona un sistema de estimulación craneal multisitio de acuerdo con la reivindicación 1. Aspectos adicionales y realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes. Los aspectos, realizaciones, ejemplos y métodos de la presente descripción que no están dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas no forman parte de la invención y se proporcionan simplemente con fines ilustrativos.
Aparece necesario aportar una alternativa al estado de la técnica, que ofrezca una estimulación craneal más ventajosa que las conocidas, mediante la utilización de estrategias de determinación de las señales de estímulo a aplicar que, a diferencia de las propuestas convencionales, tengan en consideración la mencionada visión del cerebro como un sistema oscilatorio acoplado no lineal, con el fin de estimular el cerebro mejor globalmente utilizando conceptos relativos a la resonancia.
Para ello la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un método de estimulación craneal multisitio que comprende aplicar unos estímulos individuales a diferentes zonas de un cerebro, mediante la aplicación de unas señales de estímulo determinadas a unos correspondientes elementos de estimulación dispuestos adyacentes a dichas zonas de dicho cerebro.
A diferencia de las propuestas convencionales de estimulación craneal, el método propuesto por el primer aspecto de la presente invención comprende realizar como mínimo un modelo simplificado del cerebro o de un sector del mismo considerándolo como un sistema oscilatorio acoplado no lineal, y comprende determinar dichas señales de estímulo para que sean aptas para excitar como mínimo un modo natural de vibración de dicho sistema oscilatorio acoplado no lineal.
El método comprende realizar dicha aplicación de dichas señales de estímulo de manera coordinada en el espacio y en el tiempo, y, para un ejemplo de realización, comprende aplicar parte o la totalidad de dichas señales de estímulo de manera simultánea, para producir la excitación de uno o más modos naturales de vibración del cerebro o de dicha sección del mismo, mediante la aplicación de dichas señales de estímulo.
Por lo que se refiere a las zonas a estimular, éstas dependen de la intervención a aplicar, extendiéndose, para un ejemplo de realización, a lo largo de sustancialmente todo el córtex cerebral del cerebro.
El método propuesto por el primer aspecto de la presente invención comprende monitorizar la actividad cerebral de dicho cerebro de manera previa y/o durante y/o tras la aplicación de dichas señales de estímulo, por ejemplo mediante la utilización de unos sensores electrofisiológicos dispuestos adyacentes a unas determinadas zonas del cerebro.
La mencionada monitorización se lleva a cabo mediante la aplicación de cualquier técnica en sí conocida por un experto en la materia, tal como la electroencefalografía o la magnetoencefalografía.
Uno de los fines de la mencionada monitorización es el de proporcionar una o más señales obtenidas como fruto de la monitorización, o señales monitorizadas, para controlar dicha estimulación mediante la variación de dichas señales de estímulo en función de las señales monitorizadas, aplicando el método propuesto. De esta manera se consigue adaptar, o autocalibrar, la estimulación en tiempo real a los cambios observados en la actividad cerebral, lo cual es realmente ventajoso para evitar, hasta cierto punto, los posibles problemas e imprecisiones asociados con el posicionamiento poco fiable de los elementos de estimulación o con el desconocimiento de la geometría de la cabeza del paciente o usuario que, como se explicará posteriormente influyen de manera negativa en la distribución final del campo eléctrico (o magnético) sobre el cerebro.
Para llevar a cabo la mencionada variación de las señales de estímulo, el método comprende controlar la fase, frecuencia y amplitud de cada una de dichas señales de estímulo, de manera independiente, para variar en consecuencia la fase, frecuencia, y amplitud de las señales eléctricas inducidas.
Por lo que se refiere al tipo de estimulación craneal multisitio a aplicar, para un ejemplo de realización ésta es una estimulación transcraneal magnética, siendo dichos elementos de estimulación unas bobinas o emisores magnéticos adaptados para generar campos magnéticos en función de las señales eléctricas de estímulo que se les apliquen. Para otro ejemplo de realización la estimulación craneal multisitio es una estimulación eléctrica, siendo dichos elementos de estimulación unos correspondientes electrodos, y siendo dicha estimulación eléctrica, al contrario de la convencional de corriente continua, o tDCS, una estimulación de corriente generalizada, o TCS, es decir que no está limitada ni a la utilización de corriente contínua ni a la de alterna, pudiéndose utilizar señales con frecuencias que van desde los 0 Hz hasta el valor máximo deseado, por ejemplo de unos 200 Hz.
El método propuesto por el primer aspecto de la presente invención comprende, para un ejemplo de realización, determinar las señales de estímulo para que sean aptas para excitar varios modos naturales de vibración de dicho sistema oscilatorio acoplado no lineal de manera simultánea o espaciada en el tiempo, ya sea de manera directa y externa, es decir mediante la determinación ex profeso de las señales de estímulo para que exciten directamente cada uno de dichos modos naturales de vibración, o en parte de manera natural, en cuyo caso las señales de estímulo se determinan para excitar un primer modo natural de vibración, y el resto son excitados mediante auto excitación por armónicos o sub-armónicos de las señales de estímulo determinadas para excitar el primer modo natural de vibración.
Para un ejemplo de realización el método propuesto comprende realizar una pluralidad de dichos modelos simplificados para una correspondiente pluralidad de secciones del cerebro, y comprende determinar y controlar dichas señales de estímulo para que sean aptas para excitar selectivamente uno o más modos naturales de vibración de uno o más de los sistemas oscilatorios acoplados no lineales correspondientes a dichos modelos simplificados de dichas secciones del cerebro.
Es decir que el método propuesto por el primer aspecto de la presente invención es aplicable tanto para estimular de manera global el cerebro, o diferentes secciones del mismo, en función de la intervención o aplicación prevista, entendiéndose en cualquier caso que tanto el cerebro completo como las diferentes secciones del mismo son vistos como sistemas oscilatorios acoplados no lineales, con unas frecuencias de resonancia determinadas, y que son tenidas en consideración para la determinación de las señales de estímulo a aplicar.
Para un ejemplo de realización del método propuesto, la mencionada estimulación craneal multisitio es una estimulación intracraneal, siendo dichos elementos de estimulación utilizados de tipo invasivo.
Para un ejemplo de realización preferido la estimulación craneal multisitio es una estimulación transcraneal, siendo los elementos de estimulación utilizados no invasivos, que, aunque el método propuesto no está limitado a la utilización de un tipo de elementos de estimulación específico, para un ejemplo de realización preferido son tales como los constituidos por el sensor electrofisiológico basado en nanoestructuras conductoras propuesto en la solicitud de patente ES2289948, propiedad del presente solicitante, para la mencionada monitorización, o unos similares para llevar a cabo la aplicación de señales de estímulos, para el caso de que la estimulación sea eléctrica. Para un ejemplo de realización el método propuesto comprende llevar a cabo una monitorización y estimulación transcraneal multisitio por corriente eléctrica, que aquí se denominará como MtCS, con un control fino de los flujos de corriente en el cerebro, para lo cual el método comprende utilizar a la vez uno o más conjuntos ordenados, o arrays, de electrodos, con un control fino e independiente de las fases, amplitudes y frecuencias de las señales de estímulo a aplicar a través de ellos, con el fin de proporcionar una modulación espacio-temporal de los flujos de corriente en diferentes partes del cerebro.
Para otro ejemplo de realización el método comprende controlar a varios sub-grupos de electrodos con una señal de control común para cada sub-grupo.
Se ha demostrado en estudios previos sobre la estimulación eléctrica del cerebro (en este caso tDCS), que la alta resistividad del cráneo atenúa las corrientes que alcanzan el córtex, derivándose en su mayor parte a lo largo del cuero cabelludo, que tanto la geometría de la cabeza, como las propiedades electromagnéticas del tejido y el posicionamiento del electrodo, juegan todos un importante papel en la determinación de la distribución del campo eléctrico final. Tal sensibilidad requiere el diseño y utilización de un sub-sistema de calibración de soporte para el sistema de estimulación, además de llevarse a cabo el mencionado modelo simplificado del cerebro de manera cuidadosa.
El método propuesto por el primer aspecto de la invención tiene en cuenta los mencionados requerimientos y para satisfacerlos comprende unas etapas de guiado y calibración, encargadas de implementar las funciones del mencionado sub-sistema de calibración, y que son llevadas a cabo gracias a la monitorización de la actividad cerebral explicada anteriormente.
Con el fin de focalizar los estímulos individuales, el método propuesto comprende llevar a cabo una primera etapa, o etapa de guiado, en la cual determinar y controlar las señales de estímulo a aplicar a los elementos de estimulación en función del área cerebral (tridimensional) respecto a la cual se encuentran dispuestos de manera adyacente. Para mejorar aún más la mencionada focalización, el método comprende realizar una segunda etapa, o etapa de calibración o ajuste, en la cual llevar a cabo dicha variación de las señales de estímulo en función de las señales monitorizadas, es decir en función de las medidas de “qué” está provocando la estimulación (eléctrica o magnética) que se está llevando a cabo, con el fin de ajustarla mejor.
Al adquirir las mencionadas señales de monitorización, éstas pueden incluir señales indeseadas inducidas por los estímulos, ya sean directamente las señales de estímulo o unas señales derivadas de su aplicación. Es necesario realizar un correcto filtrado de las señales monitorizadas con el fin de “limpiar” de dichas señales indeseadas, o ruido, de las realmente indicativas de la actividad cerebral, ya sea la actividad natural o la resultante del estímulo aplicado.
Para ello el método propuesto por el primer aspecto de la invención comprende la utilización de una o más técnicas de análisis, aplicadas a dichas señales monitorizadas, obtenidas por ejemplo mediante un EEG, para distinguir entre las señales eléctricas inducidas por los estímulos y las señales bio-eléctricas naturales o de respuesta a dichos estímulos.
Para un ejemplo de realización el método comprende utilizar una o más de las siguientes técnicas de análisis: técnica de separación de frecuencias, técnica de separación temporal y técnica tomográfíca, o una combinación de las mismas.
El método propuesto también comprende, para un ejemplo de realización, utilizar técnicas de espectro ensanchado, aplicadas a dichas señales monitorizadas, para identificar la actividad asociada a la estimulación en cada elemento de estimulación.
El método comprende asociar una señal de marcaje a cada una de las señales de estímulo, por ejemplo mediante la superposición de la misma sobre la señal de estímulo correspondiente en cada elemento de estimulación, con el fin de mejorar la localización de cada señal inducida por la aplicación de una correspondiente señal de estímulo y para mejorar dicha distinción entre las señales eléctricas inducidas por los estímulos y las señales indicativas de la actividad cerebral, ya sea la actividad natural o la resultante de los estímulos aplicados, al analizar las señales monitorizadas.
Para un ejemplo de realización dicha señal de marcaje corresponde al espectro ensanchado de secuencia directa, o DSSS (“Direct Sequence Spread Spectrum”), de una señal sinusoidal pura que genera una señal con una densidad de potencia por debajo del nivel de ruido de la señal monitorizada, por ejemplo EEG.
El proceso de recuperación de la dispersión de la señal en cada vóxel tomográfico permite recuperar la contribución hecha por cada elemento de estimulación en cada vóxel (utilizando el principio de la superposición) y es utilizado, aplicando el método propuesto por el primer aspecto de la invención, para mejorar el guiado mediante el ajuste de las intensidades de las señales de estímulo aplicadas en los diferentes elementos de estimulación.
Para otro ejemplo de realización el método comprende utilizar el proceso de recuperación de la dispersión de manera previa a la realización de la tomografía, ya que el proceso es lineal.
Para un ejemplo de realización la señal de marcaje es la misma en cada elemento de estimulación suministrador de estímulo, pero su espectro es ensanchado utilizando códigos diferentes de ruido seudo aleatorio, o PRN (“Pseudo Random Noise”), como es habitual en los sistemas de acceso múltiple por división de código, o sistemas CDMA (“Code Division Multiple Access”) como los utilizados en sistemas GPS, en los teléfonos móviles americanos, etc. De este modo los sensores utilizados para adquirir las señales de monitorización reciben todas las contribuciones provocadas por las señales de estímulo con una potencia por debajo de la de la señal representativa de la actividad cerebral presente en la señal monitorizada, por ejemplo mediante EEG.
Mediante la aplicación del método propuesto por el primer aspecto de la invención se reproducen de manera controlada, a través de un modelo, los patrones complejos de activación del cerebro.
Asimismo la estimulación craneal multisitio realizada según el método propuesto, permite:
- Libertad de ajuste a los ritmos y patrones específicos en el cerebro oscilante;
- Mejorar la focalización a sitios específicos;
- Una estimulación coordinada en el espacio y en el tiempo a lo largo del córtex completo;
- Un control de las relaciones de frecuencias y fases en cada sitio;
- Una autocalibración o adaptación de la estimulación gracias a la realimentación en tiempo real de las señales monitorizadas;
La presente invención también concierne, en un segundo aspecto, a un sistema de estimulación craneal multisitio, que comprende:
- una pluralidad de elementos de estimulación dispuestos adyacentes a una correspondiente pluralidad de diferentes zonas de un cerebro, y
- un sistema electrónico en conexión con dicha pluralidad de elementos de estimulación y previsto para aplicarles unas correspondientes señales de estímulo con el fin de estimular individualmente dicha pluralidad de zonas de dicho cerebro, pero no para conseguir un resultado local en cada zona como resultado de cada estímulo individual, sino para obtener un resultado global provocado por la sinergia de dichos estímulos individuales.
Para obtener dicho resultado global, de manera característica, el mencionado sistema electrónico del sistema de estimulación propuesto, comprende una o más unidades de procesamiento con acceso a uno o más modelos simplificados del cerebro o de uno o más sectores del mismo considerándolo como un sistema oscilatorio acoplado no lineal, estando dichas o dichas unidades de procesamiento previstas para determinar dichas señales de estímulo para que sean aptas para excitar como mínimo un modo natural de vibración de dicho sistema oscilatorio acoplado no lineal.
El sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención comprende una serie de sensores electrofisiológicos dispuestos adyacentes a unas determinadas zonas del cerebro, y en conexión con dicha unidad de procesamiento de dicho sistema electrónico para monitorizar la actividad cerebral de dicho cerebro.
Para un ejemplo de realización dichos sensores electrofisiológicos están dispuestos coincidentes, en el espacio, con los elementos de estimulación, siendo, para una variante de dicho ejemplo de realización, cada elemento de estimulación y cada sensor electrofisiológico un mismo elemento capaz de realizar ambas funciones, la de estimular y la de monitorizar.
El sistema de colocación utilizado puede ser cualquier sistema estándar conocido, tal como el sistema 10/30 de colocación de electrodos. Por lo que se refiere a la mencionada unidad de procesamiento, ésta está prevista para controlar dichas señales de estímulo en función de dicha actividad cerebral monitorizada.
El sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención está previsto para llevar a cabo la mencionada estimulación craneal multisitio mediante la aplicación del método propuesto por el primer aspecto de la invención, para lo cual la mencionada unidad de procesamiento implementa una serie de algoritmos mediante los cuales llevar a cabo las diferentes etapas del método, específicamente las relativas al acceso y análisis del modelo o modelos simplificados del cerebro (y para un ejemplo de realización también a la generación de dichos modelos), a la determinación de las señales de estímulo en base a dicho o dichos modelos, al análisis de las señales monitorizadas y su utilización para adaptar las señales de estímulo en tiempo real durante el periodo de operación de la estimulación craneal, así como en una fase inicial que incluye las diferentes etapas de guiado y calibración descritas anteriormente.
Para un ejemplo de realización, el método comprende llevar a cabo dicha determinación de dichas señales de estímulo a partir del cálculo de corrientes generadas de manera bipolar entre dos de dichos elementos de estimulación, al aplicarles unas señales de estímulo determinadas, y la utilización de técnicas de superposición para el cálculo de corrientes generadas multisitio, asumiendo dichas técnicas que el efecto de la estimulación aplicada mediante todo el conjunto de elementos de estimulación será la superposición del efecto de la estimulación aplicada en cada par de elementos de estimulación.
El método propuesto por el primer aspecto de la invención comprende, para un ejemplo de realización, determinar dichas señales de estímulo para reducir o suprimir una actividad cerebral determinada.
Las aplicaciones del método y el sistema propuestos son de índole muy diversa, incluyéndose las relativas a: - Investigación: Psicología/neurociencia cognitiva, mediante la cual puede demostrarse la causalidad. Se ha demostrado que la plasticidad del cerebro humano puede ser también medida con estimulación TMS repetitiva (y variantes de esta técnica, como la estimulación theta-burst o la estimulación asociativa en pares).
- Diagnosis: Actualmente la estimulación TMS se utiliza clínicamente para medir la actividad y la función de circuitos cerebrales específicos en seres humanos.
- Terapia: La estimulación TMS se utiliza actualmente para tratar varias afecciones neurológicas, tales como la migraña, el ictus, la epilepsia, la enfermedad de Parkinson, la distonía o el tinnitus, así como afecciones psiquiátricas, tales como la depresión clínica o las alucinaciones auditivas.
- Interfaz cerebro-máquina: Comunicación desde las máquinas hacia el cerebro, y viceversa.
- Síntesis sensorial: Creación de nuevos sentidos mediante el acoplamiento de fuentes de datos directamente al cerebro humano
Si bien, tal y como se indica, en algunas de dichas aplicaciones ya existen trabajos previos, mediante la aplicación del método y el sistema propuestos por la presente invención se pretenden mejorar sobremanera los resultados obtenidos, así como la funcionalidad y libertad de ajuste y adaptación de los diferentes parámetros inherentes a los sistemas de estimulación, en comparación con las propuestas convencionales.
Breve descripción de los dibujos
Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de un ejemplo de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que debe tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:
La Fig. 1 es una representación esquemática del sistema propuesto por el segundo aspecto de la presente invención para un ejemplo de realización.
Descripción detallada de un ejemplo de realización
En la Fig. 1 se ha ilustrado el sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención para un ejemplo de realización, para el cual un paciente H tiene dispuesta la anteriormente descrita pluralidad de elementos de estimulación E1, E2...En (representados a nivel esquemático por un pequeño círculo que representa una agrupación ordenada o “array” de electrodos) adyacentes a una correspondiente pluralidad de diferentes zonas de su cerebro. Tal y como se ha descrito anteriormente el sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención también comprende una serie de sensores electrofisiológicos s 1, S2...Sn dispuestos adyacentes a unas determinadas zonas del cerebro, y en conexión con dicha unidad de procesamiento de dicho sistema electrónico para monitorizar la actividad cerebral de dicho cerebro. Dichos sensores electrofisiológicos S1, S2...Sn también se encuentran ilustrados en la Fig. 1 adyacentes al cerebro del paciente H (también representados a nivel esquemático por un pequeño círculo que representa una agrupación ordenada o “array” de sensores).
El sistema propuesto comprende un sistema electrónico en conexión con dicha pluralidad de elementos de estimulación E1, E2...En y previsto para aplicarles unas correspondientes señales de estímulo con el fin de estimular individualmente dicha pluralidad de zonas de dicho cerebro, aunque, tal y como se ha descrito en un apartado anterior, el verdadero objetivo del sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención no es el resultado individual obtenido en cada zona estimulada (como es el caso de las propuestas convencionales), sino la sinergia que se produce al estimular cada zona con unas señales de estímulo determinadas, redundando en la excitación de un modo natural de vibración del cerebro, o de un sector del mismo, entendiendo éste como un sistema oscilatorio acoplado no lineal.
Dicho sistema electrónico comprende un sistema local SCM que, para un ejemplo de realización está sustentado por un soporte (no ilustrado) que también sustenta a dichos elementos de estimulación E1, E2...En y a dichos sensores electrofisiológicos S1, S2...Sn. Si bien dicho soporte no se ha ilustrado en la Fig. 1, éste es para un ejemplo de realización el ilustrado en las Figs. 4a a 4e del modelo de utilidad español con número de publicación 1067908, propiedad del presente solicitante, e indicado con la referencia C, el cual como puede verse en dichas Figs. 4a a 4e de dicho modelo de utilidad, y en su correspondiente descripción, está configurado para ser acoplado en la cabeza de un paciente H, posicionando los elementos de estimulación, en este caso E1, E2...En, y sensores, en este caso los indicados como S1, S2...Sn, en las mencionadas zonas adyacentes a dichas zonas determinadas del cerebro. Para un ejemplo de realización el sistema propuesto comprende unos medios de visualización, tal como un display, previstos para mostrar, en tiempo real o casi real, un mapa de la estimulación programada, a partir de las señales de estímulo determinadas, y un mapa de la actividad cerebral monitorizada, preferentemente de manera simultánea.
Con preferencia, aunque el sistema no esté limitado a ello, la estimulación llevada a cabo mediante el sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención es de tipo transcraneal, utilizándose elementos de estimulación no invasivos.
Tal y como se ilustra en la Fig. 1, el sistema electrónico local SCM es apto para comunicarse inalámbricamente con un sistema electrónico remoto SR comprendido por dicho sistema electrónico, para lo cual comprende un módulo de comunicaciones adecuado para tal fin (no ilustrado), que en la Fig. 1 se indica que trabaja con las especificaciones IEEE802.15.4, pero que para otros ejemplos de realización puede operar con otra tecnología y/o protocolo de comunicaciones inalámbricas.
El sistema electrónico local SCM es apto para realizar las funciones descritas para el sistema local referido también como SCM en dicho modelo de utilidad ES1067908U , de acondicionamiento de señales biopotenciales (de la manera descrita en dicho modelo de utilidad o de otra forma), pero además está adaptado para llevar a cabo, en parte o en su totalidad, las anteriormente descritas etapas de determinación y adaptación de las señales de estímulo, así como su acondicionamiento (conversión D/A, etc.) y suministro a los elementos de estimulación E1, E2,...En, recepción y análisis de las señales monitorizadas a través de los sensores S1, S2...Sn, acceso al modelo o modelos simplificados, guiado, calibración, etc.
Dicho sistema electrónico local SCM comprende una batería, no ilustrada, y, en función de los requerimientos finales es apto para proporcionar señales con frecuencias, fases y amplitudes diferentes entre distintos elementos de estimulación.
En definitiva el sistema electrónico local SCM controla los elementos de estimulación/sensores monitorización, y está comunicado inalámbricamente con un sistema electrónico remoto SR, constituyendo un sistema inalámbrico, portable y completamente digital.
Para un ejemplo de realización el sistema electrónico local SCM incluye una memoria para guardar los datos “a bordo”, pudiendo SCM funcionar de manera autónoma.
Para un ejemplo de realización dicho sistema remoto SR implementa una aplicación de estimulación/monitorización que, para la variante ilustrada por la FIg. 1, es accesible bidireccionalmente a través del protocolo TCP/IP, y se encuentra conectada a una unidad de procesamiento PDPU a través de un controlador USB.
Dicha unidad de procesamiento PDPU es para el ejemplo de realización ilustrado una unidad de procesamiento de datos personal PDPU que incorpora un módulo de comunicaciones (no ilustrado) apto para comunicarse bidireccionalmente, de manera inalámbrica con el correspondiente módulo de comunicaciones del sistema electrónico local SCM, actuando como interfaz entre el sistema SCM y el sistema remoto SR.
Para un ejemplo de realización la comunicación inalámbrica entre el sistema local SCM y la unidad de procesamiento PDPU está basada en las redes de área personal inalámbricas de baja velocidad (LR-WPANs: “Low-Rate Wireless Personal Area Networks”), y tal y como se ha indicado anteriormente la monitorización está basada en el circuito descrito en el modelo de utilidad ES1067908U.
Los anteriormente descritos procesados DSSS, así como la sincronización de las señales de marcaje, el control de los elementos de estimulación que aplican las señales de estímulo, el muestreo, el proceso de recuperación de la dispersión de las señales de marcaje, así como los algoritmos de bucle de enganche de fase PLL utilizados para el seguimiento de la fase de las señales de marcaje, requieren un procesamiento intensivo de señales digitales que es llevado a cabo en tiempo real en el sistema local SCM. Para ello el procesamiento digital se lleva a cabo, para un ejemplo de realización, mediante una matriz de puertas programable in-situ, o FPGA, con un procesador integrado con el fin de mantener los requerimientos de potencia en un mínimo.
Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de estimulación craneal multisitio, que comprende:
- una pluralidad de elementos de estimulación (E1, E2...En) dispuestos adyacentes a una correspondiente pluralidad de diferentes zonas de un cerebro,
- un sistema electrónico en conexión con dicha pluralidad de elementos de estimulación (EI, E2 ... En) y previsto para aplicar a los mismos señales de estímulo individuales correspondientes con el fin de estimular individualmente dicha pluralidad de diferentes regiones de dicho cerebro para obtener un resultado global causado por la sinergia de dichos estímulos individuales,
en el que dicho sistema electrónico comprende al menos una unidad de procesamiento con acceso a datos que representan al menos un modelo simplificado del cerebro o de un sector del mismo, que se considera un sistema oscilante acoplado no lineal,
en el que dicha al menos una unidad de procesamiento está configurada para implementar algoritmos proporcionados para acceder y analizar dichos datos que representan dicho al menos un modelo simplificado y para determinar dichas señales de estímulo individuales, con diferentes frecuencias, fases y amplitudes entre los elementos de estimulación, de modo que sean adecuados para excitar de manera controlada al menos un modo de vibración natural de dicho sistema oscilante acoplado no lineal,
en el que dicha estimulación craneal es una estimulación eléctrica transcraneal multisitio en la que dichos elementos de estimulación utilizados (E1, E2, ... En) no son invasivos; en el que el sistema comprende una serie de sensores electrofisiológicos (S1, S2, ... Sn) dispuestos adyacentes a regiones específicas del cerebro y en conexión con dicha unidad de procesamiento de dicho sistema electrónico, y destinados a monitorear la actividad cerebral de dicho cerebro al menos antes y/o durante la aplicación de dichas señales de estímulo,
en el que dicha unidad de procesamiento está configurada para adaptar o autocalibrar en tiempo real dichas señales de estímulo a los cambios observados en la actividad cerebral, en el que dicha unidad de procesamiento está configurada para implementar un algoritmo para monitorear la actividad cerebral de dicho cerebro y para controlar dicha estimulación mediante la variación de dichas señales de estímulo dependiendo de una o más señales monitoreadas obtenidas como resultado de dicho monitoreo, y la unidad de procesamiento está configurada para implementar adicionalmente un algoritmo usando una o más técnicas de análisis aplicadas a dichas señales monitoreadas para distinguir entre las señales eléctricas inducida por los estímulos y señales bioeléctricas naturales o señales de respuesta a dichos estímulos,
en el que el sistema está configurado para realizar un filtrado adecuado de las señales monitoreadas para limpiar señales no deseadas o ruido de aquellas señales que son indicativas de actividad cerebral, ya sea actividad natural o el resultado del estímulo aplicado.
2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho sistema electrónico comprende al menos un sistema local (SCM) soportado por un soporte que también soporta dichos elementos de estimulación (EI, E2 ... En) y dichos sensores electrofisiológicos (S1, S2 ... Sn), estando dicho soporte configurado para conectarse a la cabeza de un paciente (H), colocando los elementos de estimulación (EI, e2 ... En) y los sensores (S1, S2 ... Sn) en las regiones mencionadas adyacentes a dichas regiones específicas del cerebro.
3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicho sistema electrónico local (SCM) comprende un módulo de comunicaciones adecuado para comunicarse de forma inalámbrica con un sistema electrónico remoto (SR) comprendido por dicho sistema electrónico.
4. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho sistema electrónico está configurado para realizar dicha aplicación de dichas señales de estímulo individuales de una manera coordinada en el espacio, con respecto a la distribución del campo eléctrico en el córtex y el tiempo.
5. Sistema de acuerdo con la reivindicación 4, en el que el sistema electrónico está configurado para aplicar simultáneamente al menos parte de dichas señales de estímulo individuales para producir la excitación de al menos un modo de vibración natural del cerebro o de dicho sector del mismo mediante la aplicación de dichas señales de estímulo, en el que dichas regiones a estimular se extienden sustancialmente por toda la corteza cerebral de dicho cerebro.
6. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de procesamiento está configurada para implementar un algoritmo para controlar independientemente la fase, frecuencia y amplitud de cada una de dichas señales de estímulo para variar en consecuencia la fase, frecuencia y amplitud de las señales eléctricas inducidas.
7. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de procesamiento está configurada para implementar un algoritmo para construir una pluralidad de dichos modelos simplificados para una pluralidad correspondiente de sectores del cerebro, y para determinar y controlar dichas señales de estímulo para que sean adecuadas para excitar selectivamente uno o más modos de vibración natural de uno o más de los sistemas oscilantes de acoplamiento no lineal correspondientes a dichos modelos simplificados de dichos sectores del cerebro.
8. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el sistema está configurado para enfocar los estímulos individuales por medio de un primer paso, o un paso de guía, en el que los estímulos a ser aplicados a los elementos de estimulación se determinan y controlan por medio de un algoritmo de la unidad de procesamiento, dependiendo de la región del cerebro con respecto a la cual están dispuestos adyacentes, y el enfoque mencionado se mejora por medio de un segundo paso, o paso de calibración o ajuste, en el que dicha variación de las señales de estímulo se llevan a cabo de acuerdo con las señales monitoreadas, por medio de un algoritmo de la unidad de procesamiento.
9. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la unidad de procesamiento está configurada para implementar adicionalmente un algoritmo para asociar una señal de marcado a cada una de las señales de estímulo para mejorar la ubicación de cada señal inducida por la aplicación de la misma, y para mejorar dicha distinción entre las señales eléctricas inducidas por los estímulos y las señales de respuesta a dichos estímulos al analizar las señales monitoreadas.
10. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de procesamiento está configurada para implementar adicionalmente un algoritmo que lleva a cabo dicha determinación de dichas señales de estímulo a partir del cálculo de las corrientes generadas de manera bipolar entre dos de dichos elementos de estimulación al aplicar señales de estímulo específicas para ellos y el uso de técnicas de superposición para el cálculo de las corrientes multisitio generadas.
11. El sistema de la reivindicación 1, en el que dichos medios para adaptar o autocalibrar en tiempo real dichas señales de estímulo individuales a los cambios observados en la actividad cerebral, comprenden:
- un medio para monitorizar la actividad cerebral de dicho cerebro al menos antes y/o durante la aplicación de dichas señales de estímulo, incluyendo dicho medio un algoritmo de la unidad de procesamiento,
- una unidad de algoritmo de la unidad de procesamiento para usar una o más técnicas de análisis aplicadas a dichas señales monitorizadas para distinguir entre las señales eléctricas inducidas por los estímulos y las señales bioeléctricas naturales o señales de respuesta a dichos estímulos,
- una unidad de algoritmo de la unidad de procesamiento para considerar dichas señales eléctricas inducidas por los estímulos como señales no deseadas, y para realizar un filtrado adecuado de las señales monitorizadas para limpiar dichas señales no deseadas de aquellas que son realmente indicativas de actividad cerebral, y
- una unidad de algoritmo de la unidad de procesamiento para controlar dicha estimulación mediante la variación de dichas señales de estímulo individuales dependiendo de la actividad cerebral monitorizada, a partir de las señales monitorizadas filtradas libres de dichas señales no deseadas.
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