IT202200000965A1 - Dispositivo per il trattamento adattativo di malattie neurologiche e metodo di controllo di un dispositivo per il trattamento adattativo di malattie neurologiche - Google Patents
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Description
DISPOSITIVO PER IL TRATTAMENTO ADATTATIVO DI MALATTIE
NEUROLOGICHE E METODO DI CONTROLLO DI UN DISPOSITIVO PER IL
TRATTAMENTO ADATTATIVO DI MALATTIE NEUROLOGICHE
CAMPO TECNICO
La presente divulgazione riguarda in generale il campo del trattamento delle malattie neurologiche, e in particolare i dispositivi per il trattamento di malattie neurologiche basati sulla stimolazione adattativa e i metodi di controllo di tali dispositivi.
STATO DELL?ARTE
La stimolazione elettrica invasiva ? oggi un'opzione terapeutica per una variet? di malattie neurologiche, compresi i disturbi del movimento, i disturbi psichiatrici e il dolore. Esempi di dispositivi di stimolazione cerebrale invasiva sono i sistemi di stimolazione cerebrale profonda (DBS) che sono principalmente utilizzati nel trattamento del morbo di Parkinson, della distonia, del tremore essenziale, dell'epilessia e dei disturbi ossessivo-compulsivi, e gli stimolatori del midollo spinale (SCS) utilizzati per la gestione del dolore. I sistemi di stimolazione cerebrale profonda (DBS) sono utilizzati in vari settori, tra cui la diagnostica medica o i trattamenti medici, per via di una serie di vantaggi.
Per esempio, la stimolazione cerebrale profonda pu? fornire una stimolazione elettrica alle strutture neurali del sistema nervoso centrale di un paziente per modulare l'attivit? neurale. La stimolazione cerebrale profonda convenzionale ? spesso programmata da un medico con un'impostazione di stimolazione predefinita che rimane costante nel tempo. Considerando che la stimolazione di solito consiste in un treno di impulsi elettrici di forma quadra con un'ampiezza, una larghezza d'impulso e una frequenza d'impulso, l'impostazione di stimolazione stabilisce il valore di almeno uno dei suddetti parametri (ampiezza di stimolazione, larghezza d'impulso di stimolazione e frequenza di stimolazione). Le malattie neurologiche, tuttavia, sono progressive e spesso la sintomatologia fluttua nel tempo. Di conseguenza, trattare i disturbi neurologici, gestire i sintomi e titolare correttamente la terapia non ? un compito semplice perch? richiede di valutare lo stato clinico del paziente in modo oggettivo e ricorrente. Per esempio, la sensazione di dolore di un paziente non pu? essere misurata quantitativamente, ma solo attraverso scale e valutazioni qualitative. Inoltre, la sensazione di dolore pu? variare nel tempo.
Tali pazienti beneficiano di una stimolazione adattativa e specifica per il paziente che compensa le fluttuazioni dei sintomi, regolando le impostazioni di stimolazione in tempo reale in base alle variabili di controllo neurofisiologico. Tuttavia, l'efficacia delle tecniche adattative ? strettamente legata alla stabilit? del segnale neurofisiologico che pu? essere influenzato dalla degradazione dell'interfaccia elettrodo-tessuto e dalla posizione relativa e dal sottostante meccanismo fisiopatologico in evoluzione. In conclusione, mentre le tecniche adattative sono adatte a gestire le fluttuazioni dei sintomi, non affrontano la progressione della malattia e la degradazione del segnale nel tempo.
A causa di questa limitazione, nei dispositivi noti per la stimolazione cerebrale profonda adattativa, mantenere la robustezza e l'efficacia del controllo adattativo nel tempo rimane una sfida. Considerazioni analoghe si applicano agli stimolatori del midollo spinale. C'? quindi bisogno di nuovi e migliori dispositivi per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche e di metodi per il controllo di tali dispositivi.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
La Richiedente ha contemplato il problema di superare i problemi di cui sopra e, in particolare, di eliminare la necessit? di un'inizializzazione e una messa a punto a lungo termine di un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche per impostare e mantenere nel tempo una terapia su misura per il paziente che fornisce una stimolazione ottimizzata.
Nell'ambito del problema di cui sopra, la Richiedente ha considerato l'obiettivo di concepire un dispositivo in grado di stimolare il tessuto neurale secondo una logica di controllo, raccogliendo i segnali neurali generati in risposta alla stimolazione, nonch? regolando i parametri di stimolazione e affinando la logica di controllo sulla base del segnale neurale raccolto.
Di conseguenza, un primo aspetto della presente invenzione riguarda un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche che comprende
un elettrodo impiantabile configurato per rilevare segnali di attivit? neurale e applicare segnali di stimolazione elettrica, e
un'unit? di elaborazione e stimolazione collegata all'elettrodo impiantabile, laddove l'unit? di elaborazione e stimolazione comprende almeno:
un modulo di stimolazione configurato per generare un segnale di stimolazione da portare all'elettrodo impiantabile, il segnale di stimolazione essendo caratterizzato da almeno un parametro di stimolazione;
un modulo di acquisizione configurato per acquisire registrazioni di segnali di attivit? neurale rilevati dall'elettrodo impiantabile; e
un modulo di elaborazione configurato per elaborare le registrazioni di segnale di attivit? neurale acquisite dal modulo di acquisizione sulla base di una prima logica di controllo e per regolare almeno un parametro di stimolazione basato su almeno una registrazione di segnale di attivit? neurale elaborata secondo la prima logica di controllo, la prima logica di controllo essendo una funzione che dipende da almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale, essendo basata su almeno un parametro di controllo ed essendo composta di una pluralit? di sezioni di funzione, in cui ogni sezione di funzione della pluralit? di sezioni di funzione ? relativa a un intervallo dell?almeno una caratteristica di segnale,
laddove il modulo di elaborazione ? configurato per elaborare la registrazione di segnale di attivit? neurale registrato dal modulo di acquisizione in base a una seconda logica di controllo e per regolare l?almeno un parametro di controllo della prima logica di controllo sulla base dell?almeno una registrazione di almeno un segnale di attivit? neurale elaborato secondo la seconda logica di controllo.
La Richiedente ha scoperto che regolando iterativamente i parametri di controllo che caratterizzano la prima logica di controllo sulla base dei segnali di attivit? neurale acquisiti rende possibile sia auto-inizializzare e auto-regolare il dispositivo per la stimolazione cerebrale profonda quando si avvia la terapia, sia avere una stimolazione ottimizzata robusta e duratura.
La Richiedente ha osservato che mentre le fluttuazioni nella sintomatologia del paziente sono un evento in tempo reale (accadendo nell'intervallo di un giorno o meno), la progressione della malattia e i cambiamenti all'interfaccia elettrodo-tessuto si verificano in un arco di tempo molto pi? lungo (alcuni giorni, settimane o mesi). Pertanto, la regolazione dei parametri di controllo della prima logica di controllo deve essere basata su tendenze di variazione pi? lente sentite dal segnale di attivit? neurale, in contrasto con le variazioni in tempo reale che vengono utilizzate per regolare i parametri di stimolazione.
La Richiedente ha anche notato che una logica di controllo che mira a guidare i parametri di stimolazione in tempo reale sulla base di parametri di controllo statici non pu? adeguatamente soddisfare il requisito di robustezza a lungo termine. Di conseguenza, la richiedente si ? resa conto della necessit? di avere parametri di controllo regolabili per tenere conto dei cambiamenti a lungo termine del segnale relativi alle modifiche dell'interfaccia elettrodo-tessuto e/o alla progressione della malattia.
Un secondo aspetto della presente invenzione riguarda un metodo di controllo di un dispositivo per il trattamento adattativo di malattie neurologiche che comprende le fasi di:
- sulla base di una prima logica di controllo, elaborare registrazioni di segnale di attivit? neurale registrate da un modulo di acquisizione di un dispositivo per il trattamento adattativo di malattie neurologiche, laddove la prima logica di controllo ? una funzione che dipende da almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale, ? basata su almeno un parametro di controllo ed ? fatta di una pluralit? di sezioni di funzione, ogni sezione di funzione della pluralit? di sezioni di funzione essendo relativa a un rispettivo intervallo dell?almeno una caratteristica di segnale,
- regolare almeno un parametro di stimolazione di un segnale di stimolazione basato su almeno una registrazione di segnale di attivit? neurale elaborata secondo la prima logica di controllo;
- sulla base di una seconda logica di controllo, elaborare le registrazioni di segnali di attivit? neurale acquisite dal modulo di acquisizione, e
- regolare almeno un parametro di controllo della prima logica di controllo sulla base di almeno una registrazione di segnale di attivit? neurale elaborata secondo la seconda logica di controllo.
Vantaggiosamente, il metodo per controllare un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche raggiunge gli stessi vantaggi descritti con riferimento al dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche secondo l'invenzione.
La presente invenzione pu? avere almeno una delle seguenti caratteristiche preferite; queste ultime possono in particolare essere combinate tra loro a piacere per soddisfare specifiche esigenze di implementazione.
In generale, in alcune varianti, l'unit? di elaborazione e stimolazione pu? essere ulteriormente configurata per definire una finestra di parametri di stimolazione compresa tra un minimo di almeno un parametro di stimolazione Amin (ampiezza, larghezza d'impulso, frequenza o una loro combinazione) che ancora suscita un beneficio clinico rilevabile per il paziente e un parametro di stimolazione massimo Amax (ampiezza, larghezza d'impulso, frequenza o una loro combinazione) che ancora non suscita un effetto collaterale al paziente. In alcune forme di realizzazione, la finestra del parametro di stimolazione (Amax, Amin) pu? essere inserita come parametro non regolabile.
Vantaggiosamente, l'impostazione di una finestra di parametri di stimolazione invece di un valore specifico di parametri di stimolazione facilita e accelera la fase di inizializzazione eseguita dai medici.
In alcune varianti, l?almeno un parametro di stimolazione di un segnale di stimolazione ? regolato sulla base di una serie temporale di registrazioni di segnali di attivit? neurale raccolte che ? pi? breve di una serie temporale di registrazioni di segnali di attivit? neurale raccolte sulla base della quale ? regolato l?almeno un parametro di controllo della prima logica di controllo.
In questo modo ? possibile compensare la progressione della malattia e i cambiamenti nell'interfaccia elettrodo-tessuto che si verificano in un arco di tempo molto pi? lungo (alcuni giorni, settimane o mesi) rispetto alle fluttuazioni nella sintomatologia del paziente, che si verificano nell'arco di meno di un giorno. Di conseguenza, la regolazione dei parametri di controllo della prima logica di controllo secondo la seconda logica di controllo che tiene conto di una serie temporale pi? lunga di registrazioni di segnali di attivit? neurale raccolti permette di tenere conto dei cambiamenti di segnale a lungo termine relativi alle modifiche dell'interfaccia elettrodo-tessuto e/o alla progressione della malattia.
In alcune varianti, almeno una sezione di funzione della pluralit? di sezioni di funzione della prima logica di controllo pu? essere una funzione che dipende da almeno una caratteristica di segnale
delle registrazioni di segnale di attivit? neurale. L'almeno una sezione di
funzione della pluralit? di sezioni di funzione pu? essere una funzione lineare dell'almeno una caratteristica di segnale ?? delle registrazioni di segnale di attivit? neurale.
La prima logica di controllo pu? comprendere una prima parte di funzione in cui il parametro di stimolazione A ? proporzionale alla caratteristica di segnale ? . La prima sezione di funzione pu? essere legata a un primo intervallo della caratteristica di segnale La prima logica di controllo pu? comprendere una seconda sezione di funzione che definisce un limite superiore Amax del parametro di stimolazione A. La seconda sezione di funzione pu? essere collegata a un secondo intervallo della caratteristica di segnale La prima logica di controllo pu? inoltre comprendere una terza sezione di funzione che definisce un limite inferiore Amin del parametro di stimolazione A. La terza sezione di funzione pu? essere collegata a un terzo intervallo della caratteristica di segnale I limiti superiore e inferiore del parametro di stimolazione A possono definire la finestra del parametro di stimolazione (Amax, Amin).
La prima logica di controllo pu? essere la seguente:
In questo caso la prima logica di controllo ? caratterizzata da un primo parametro di controllo ? e un secondo parametro di controllo ? che pu? essere regolato in base alla seconda logica di controllo.
In alcune implementazioni, l'unit? di elaborazione e di stimolazione del dispositivo impiantabile pu? essere ulteriormente configurata per estrarre le caratteristiche spettrali all'interno di una banda di frequenza delle registrazioni di segnale di attivit? neurale che sono registrate durante un periodo di tempo predefinito. La banda di frequenza pu? essere una banda di bassa frequenza, la banda di frequenza alfa, o la banda di frequenza beta e le frequenze gamma. La banda di frequenza pu? essere determinata identificando un picco nelle caratteristiche spettrali estratte e definendo la banda di frequenza come un intervallo di frequenza intorno al picco, preferibilmente centrato al picco. In alcune varianti, la banda di frequenza pu? essere preimpostata (hard coded) o inserita come parametro non regolabile.
In alcune implementazioni, l'almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale pu? essere una caratteristica spettrale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale entro la banda di frequenza, preferibilmente una potenza spettrale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale entro la banda di frequenza.
Di conseguenza, la prima logica di controllo pu? comprendere una prima sezione di funzione in cui il parametro di stimolazione A ? proporzionale alla potenza P del segnale nella banda di frequenza. La prima sezione di funzione pu? essere relativa a un primo intervallo di potenza
La prima logica di controllo pu? comprendere una seconda sezione di
funzione che definisce un limite superiore Amax del parametro di stimolazione A. La seconda sezione di funzione pu? essere relativa a un secondo intervallo di potenza La prima logica di controllo pu? inoltre comprendere una terza sezione di funzione che definisce un limite inferiore Amin del parametro di stimolazione A. La terza sezione di funzione pu? essere relativa a un terzo intervallo di potenza
Cos?, la prima logica di controllo pu? essere la seguente:
In questo caso la prima logica di controllo ? caratterizzata da un primo parametro di controllo che corrisponde a una potenza spettrale massima Pmax e un secondo parametro di controllo che corrisponde a una potenza spettrale minima. Il primo e il secondo parametro di controllo possono essere regolati in base alla seconda logica di controllo.
In alcune forme di realizzazione, il primo parametro di controllo Pmax pu? essere inizializzato impostandolo uguale a una potenza nella banda di frequenza dello spettro del segnale di attivit? neurale misurato preferibilmente in assenza di farmaci e il secondo parametro di controllo Pmin pu? essere inizializzato impostandolo uguale a una potenza nella banda di frequenza di uno spettro di attivit? di background adattato allo spettro del segnale di attivit? neurale in qualsiasi condizione di farmaco o di stimolazione.
Lo spettro dell'attivit? di background pu? essere stimato adattando lo spettro del segnale di attivit? neurale come la seguente funzione di rumore: cio? come rumore bianco (? = 0) o rumore rosa (?=1) o rumore rosso (? = 2), o calcolando le componenti frattali del segnale di attivit? neurale (separando cos? la parte non oscillatoria dalla parte oscillatoria).
In alcune varianti, la seconda logica di controllo pu? essere implementata come calcolo delle bande di Bollinger, con il primo parametro di controllo Pmax impostato uguale a un limite superiore della banda e il secondo parametro di controllo Pmin impostato uguale a un limite inferiore della banda. Sia il limite superiore che quello inferiore della banda possono essere calcolati sulla base di serie temporali di potenza raccolte in minuti, ore, giorni, settimane o mesi. Il calcolo delle bande di Bollinger pu? essere basato su una media mobile semplice di qualsiasi periodo di tempo, come 30 minuti, un'ora, un giorno, una settimana, ecc. Le bande di Bollinger possono in alternativa essere calcolate sulla base di una media mobile esponenziale. I limiti superiore e inferiore della banda di Bollinger possono essere un numero k di deviazioni standard (in positivo e in negativo) lontano dalla media mobile.
In una forma di realizzazione preferita, una potenza media e una deviazione standard media
della banda di frequenza possono essere calcolati con periodi di tempo scorrevoli.
In una forma di realizzazione preferita, i limiti superiore e inferiore della banda di Bollinger possono essere calcolati come:
Vantaggiosamente, il calcolo delle bande di Bollinger prevede un'impostazione relativa al tempo del primo e del secondo parametro di controllo Pmax e Pmin, permettendo cos? un'autoregolazione della prima logica di controllo.
In alcune forme di realizzazione, la seconda logica di controllo pu? essere un modello di apprendimento non supervisionato che stabilisce i cluster delle registrazioni di segnale di attivit? neurale basati sulla sua almeno una caratteristica di segnale. Il modello di apprendimento non supervisionato pu? essere implementato come un metodo di clustering K-means. Il metodo di clustering K-means pu? assegnare le annotazioni del segnale a K-cluster basati su una distanza della caratteristica di segnale da un centroide di ogni cluster, dove K ? un iperparametro che corrisponde a un numero totale di cluster.
In alcune forme di realizzazione, l'almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale pu? essere la potenza spettrale nella banda di frequenza calcolata per ogni registrazione di segnale di attivit? neurale e il numero di cluster pu? essere due con i parametri di controllo Pmax e Pmin che corrispondono a un centroide di un rispettivo cluster.
In alcune varianti, il modello di apprendimento non supervisionato pu? essere implementato come modelli di clustering esclusivo (ad esempio K-means), sovrapposto (ad esempio fuzzy K-means), gerarchico o probabilistico (ad esempio Gaussian Mixture Models). Il numero di cluster pu? essere predefinito (ad esempio due cluster) o impostato durante e/o dopo l'acquisizione delle registrazioni di segnale di attivit? neurale.
In alcuni casi, la seconda logica di controllo pu? essere un regolatore fuzzy basato sul tempo che stima un nuovo insieme dei parametri di controllo della prima logica di controllo basati su almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale e su una relativa fascia oraria giornaliera in cui le registrazioni di segnale di attivit? neurale sono state acquisite. Il regolatore fuzzy basato sul tempo pu? raggruppare ed elaborare almeno una caratteristica di segnale dei segnali di attivit? neurale registrati in base alla fascia oraria in cui il rispettivo segnale di attivit? neurale ? stato registrato.
In alcune forme di realizzazione, l'almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale pu? essere la potenza spettrale nella banda di frequenza calcolata per ogni registrazione di segnale di attivit? neurale e i parametri di controllo Pmax e Pmin possono essere uguali al valore medio dei valori di potenza spettrale di un primo e un secondo gruppo di valori di potenza spettrale, laddove ogni gruppo di valori di potenza spettrale comprende i valori di potenza spettrale relativi ai segnali di attivit? neurale registrati durante rispettive fasce orarie del giorno.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
FIG.1 ? una vista schematica di un dispositivo esemplificativo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione;
FIG. 2 ? uno schema a blocchi della logica di controllo ad anello chiuso implementata da un metodo per il controllo di un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione;
FIGG.3a - 3c sono schemi a blocchi di forme di realizzazione esemplificative della seconda logica di controllo implementata da un dispositivo per la stimolazione cerebrale profonda adattativa secondo la presente invenzione;
FIGG. 4a e 4b sono diagrammi di flusso del metodo per il controllo di un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche secondo, rispettivamente, una prima e una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;
FIG. 5 ? un diagramma di flusso di una routine di inizializzazione del metodo di controllo di un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche secondo la presente invenzione;
FIG. ?6 un grafico dello spettro del segnale neurale e dell'attivit? di background; e
FIG. 7 ? una rappresentazione schematica di un dispositivo esemplificativo per il trattamento adattativo di malattie neurologiche e di un relativo dispositivo di controllo personale del paziente.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Nelle figure e nella seguente descrizione, vengono utilizzati numeri di riferimento o simboli identici per indicare elementi costruttivi con la stessa funzione. Inoltre, per motivi di chiarezza di illustrazione, ? possibile che alcuni numeri di riferimento non siano ripetuti in tutte le figure. Mentre esempi e varianti dell'invenzione sono rappresentati e descritti nel presente documento, dovrebbe essere compreso che non c'? alcuna intenzione di limitare l'invenzione agli esempi specifici e alle varianti forme di realizzazione descritte di seguito, ma al contrario, l'invenzione ? intesa a coprire tutte le modifiche o implementazioni alternative ed equivalenti che rientrano nell'ambito della protezione dell'invenzione come definito nelle rivendicazioni.
Espressioni come "esempio dato", "ecc.", "o" indicano alternative non esclusive senza limitazione, a meno che non sia espressamente indicato diversamente. Espressioni come "comprendente" e "incluso" hanno il significato di "comprendente o incluso, ma non limitato a" a meno che non sia espressamente indicato diversamente. Inoltre, un "modulo" come riferito in tutto pu? riferirsi a un gruppo di circuiti elettrici e/o componenti elettrici che sono disposti e collegati per eseguire una o pi? funzioni come qui descritto, e/o pu? riferirsi a un computer speciale che ? programmato per eseguire le funzioni qui descritte.
Con riferimento a FIG. 1, ? mostrata una variante di un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche, interamente indicato con 10.
In particolare, il dispositivo illustrato in FIG. 1 ? adatto alla stimolazione cerebrale profonda adattativa essendo configurato per rilevare i biopotenziali (ad esempio, i potenziali di campo locali o LFP) da un elettrodo stimolante o da elettrodi contigui, per correlare tali segnali agli effetti della stimolazione e/o per adattare i parametri della stimolazione al fine di facilitare la terapia del paziente.
Il dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche 10 comprende almeno una sonda o elettro-catetere 11 configurato per essere impiantato nel cervello di un paziente per somministrare stimolazione elettrica. La sonda o l'elettro-catetere 11 pu? comprendere almeno tre contatti metallici o conduttori accessibili tramite collegamenti esterni, chiamati anche elettrodi 12.
Tuttavia, in altre varianti, gli elettrodi possono non essere situati sullo stesso elettro-catetere (ad esempio, un dispositivo per DBS adattativo pu? comprendere due o pi? elettro-cateteri e gli elettrodi possono essere situati su due diversi elettro-cateteri).
Il dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche 10 pu? comprendere una o pi? sonde impiantabili dove ogni sonda pu? comprendere uno o pi? elettrodi. Il dispositivo 10 pu? anche comprendere un connettore o un'estensione della sonda per ciascuna delle sonde impiantabili. Una sonda (per esempio, la sonda 11) pu? avere una parte distale e una parte prossimale. Uno o pi? elettrodi (per la somministrazione di stimolazione elettrica e/o per l'acquisizione di dati di attivit? neurale) sono situati sulla parte distale ed uno o pi? contatti del connettore sono situati sulla parte prossimale ed uno o pi? cavi all'interno della sonda collegano elettricamente gli elettrodi con i contatti del connettore. Una sonda 11 pu? comprendere qualsiasi numero di elettrodi 12, per esempio, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 24, 36, 48, 64, 96, ecc. e un numero corrispondente di contatti del connettore. Un'estensione della sonda pu? avere una porzione distale che ha un blocco di connettore con un alloggiamento di ricettacolo che racchiude uno o pi? contatti conduttivi, una porzione prossimale che ha contatti del connettore del dispositivo di stimolazione (per esempio, dispositivo 10), dove ciascuno dei contatti del connettore del dispositivo di stimolazione corrisponde ad un contatto conduttivo nell'alloggiamento del ricettacolo tramite uno o pi? fili, e un corpo allungato fra la porzione prossimale e la porzione distale. Un'estensione della sonda pu? comprendere qualsiasi numero di contatti conduttivi, per esempio, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 24, 36, 48, 64, 96, ecc. e un numero corrispondente di contatti del connettore del dispositivo di stimolazione. Il numero di contatti conduttivi dell'estensione della sonda pu? essere uguale o maggiore del numero di elettrodi sulla sonda a cui l'estensione della sonda ? collegata. La parte distale della sonda pu? essere impiantabile nella regione target del cervello, mentre la parte prossimale della sonda pu? estendersi fuori del tessuto celebrale e collegarsi con una parte distale di un'estensione della sonda. L'alloggiamento del ricettacolo dell'estensione della sonda pu? essere configurato per mantenere la parte prossimale della sonda in modo che i contatti del connettore della sonda si colleghino elettricamente con i contatti conduttivi dell'estensione della sonda in modo che gli elettrodi alla parte distale della sonda siano accoppiati elettricamente ai contatti del connettore del dispositivo di stimolazione in corrispondenza della parte prossimale dell'estensione della sonda. I contatti del connettore del dispositivo di stimolazione possono essere configurati per essere accoppiati ad una porta o ad un connettore di un'unit? di elaborazione e di stimolazione 14 (per esempio, un'interfaccia frontale). In alcune varianti, l'alloggiamento del ricettacolo pu? comprendere un meccanismo di collegamento per agganciare o mantenere la parte prossimale della sonda all'interno dell'alloggiamento del ricettacolo. Facoltativamente, l'estensione della sonda pu? comprendere un manicotto o calza di connessione che comprende un materiale elettricamente isolante che ? disposto sopra almeno una parte dell'alloggiamento del ricettacolo per contribuire ad isolare elettricamente i contatti del connettore della sonda ed i contatti conduttivi dell'estensione della sonda dal tessuto circostante. Il corpo allungato dell'estensione della sonda pu? avere un diametro costante tra la parte distale e la parte prossimale, o pu? avere un diametro variabile lungo la sua lunghezza. Per esempio, il diametro di un segmento del corpo allungato pu? essere pi? grande (per esempio, pi? spesso) dove quel segmento ? destinato ad essere situato all'interfaccia fra il tessuto del cervello ed il cranio o la pelle. Ci? pu? contribuire a ridurre l'eccessiva torsione, torcendo e/o piegando dei fili all'interno del corpo allungato dell'estensione della sonda, quindi riducendo l'usura meccanica sui fili e/o contribuendo a prolungare la vita utile dell'estensione della sonda.
Mentre il dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche 10 raffigurato in FIG.1 comprende una sonda 11 con quattro contatti metallici o elettrodi 12, altre varianti di sonde possono comprendere qualsiasi numero di elettrodi (ad esempio, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 16, 18, 20, 25, 30, 36, 48, o pi?). Come descritto precedentemente, un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche 10 pu? comprendere qualsiasi numero di sonde (per esempio, due o pi?), dove ogni sonda pu? avere qualsiasi numero di elettrodi. Per esempio, un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche 10 pu? comprendere una prima sonda con un primo elettrodo e una seconda sonda con un secondo elettrodo. In uso, la prima sonda pu? essere impiantata in una prima regione del cervello e la seconda sonda pu? essere impiantata in una seconda regione del cervello (per esempio, per la stimolazione bilaterale). In un'altra variante, un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche 10 pu? comprendere due sonde, dove ogni sonda pu? avere quattro elettrodi (per un totale di otto canali) o pu? avere otto elettrodi (per un totale di sedici canali).
In una variante, una sonda 11 pu? comprendere pi? elettrodi dove un primo elettrodo ? un elettrodo di stimolazione che fornisce la stimolazione elettrica e un secondo elettrodo ? un elettrodo di misurazione che acquisisce i segnali di attivit? neurale. Per esempio, una prima pluralit? di elettrodi (che possono o non possono essere adiacenti l'uno all'altro) pu? essere usata per la stimolazione e una seconda pluralit? di elettrodi (che possono o non possono essere adiacenti l'uno all'altro o possono essere disposti in modo alternato con la prima pluralit? di elettrodi) pu? essere usata per acquisire i segnali di attivit? neurale. In alternativa o in aggiunta, lo stesso elettrodo o gli stessi elettrodi possono essere utilizzati per l'acquisizione del segnale di attivit? neurale e la stimolazione elettrica contemporaneamente o in sequenza. Le sonde DBS possono comprendere uno o pi? elettrodi cilindrici o a forma di disco con un'altezza da circa 0,5 mm a circa 3 mm, ad esempio, circa 1,5 mm, e un diametro da circa 0,5 mm a circa 2 mm, ad esempio, circa 1,27 mm. In alcune varianti, le sonde DBS possono comprendere due o pi? elettrodi cilindrici (per esempio, 2, 4, 6, 10, 12, 15, 16, 20, ecc. o pi? elettrodi). In alternativa o in aggiunta, le sonde DBS possono comprendere elettrodi planari e/o elettrodi appuntiti con una geometria selezionata almeno in parte in base alla struttura neurale o alla regione cerebrale di destinazione. La distanza tra due elettrodi pu? essere da circa 0,25 mm a circa 2 mm, ad esempio, circa 0,5 mm, e facoltativamente, un isolante pu? essere disposto tra due elettrodi e / o intorno a un elettrodo per ridurre l'accoppiamento elettrico o cross-talk tra gli elettrodi. Un isolante pu? comprendere, per esempio, il poliuretano e/o il poliimmide e/o simili. Gli elettrodi possono essere fatti di qualsiasi metallo o di qualsiasi lega metallica, per esempio, una lega platino-iridio.
Nella forma di realizzazione illustrata in FIG. 1, gli elettrodi 12 sono collegati a un'unit? di elaborazione e stimolazione 14 che comprende tre moduli funzionali collegati tra loro in una configurazione di feedback e interoperativa: un modulo di stimolazione 16, un modulo di acquisizione dati 20 e un modulo di elaborazione 18. L'unit? di elaborazione e di stimolazione 14 pu? essere completamente compresa in una porzione impiantabile 10a del dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche 10 o essere distribuita tra la porzione impiantabile 10a e una porzione esterna 10b. In questo secondo caso, le registrazioni dei segnali di attivit? neurale grezzi e/o elaborati sono trasmessi wireless dalla porzione impiantabile 10a alla porzione esterna 10b e viceversa. La porzione esterna 10b pu? essere implementata come dispositivo di controllo personale del paziente. Le porzioni impiantabile 10a ed esterna 10b del dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche 10 sono descritte in dettaglio di seguito e rappresentate schematicamente in FIG.7.
In una variante, l'unit? di elaborazione e stimolazione 14 pu? comprendere sedici canali, che possono essere collegati a due sonde con otto elettrodi ciascuna, o quattro sonde con quattro elettrodi ciascuna, o otto sonde con due elettrodi ciascuna, ecc. Ci possono essere meno elettrodi che canali, per esempio, anche se l'unit? di elaborazione e di stimolazione 14 pu? essere configurata per accomodare sedici canali (per esempio, per sedici elettrodi di stimolazione e/o di acquisizione LFP), un esemio particolare di un dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche 10 o del sistema DBS pu? comprendere otto elettrodi (per esempio, due sonde che hanno ciascuna quattro elettrodi) o quattro elettrodi (per esempio, una singola sonda che ha quattro elettrodi).
Il modulo di stimolazione 16 ? adottato per generare un segnale di stimolazione e per inviarlo agli elettrodi 12. Il modulo di stimolazione 16 pu? comprendere un generatore di impulsi o di funzioni che comprende una sorgente di tensione e/o una sorgente di corrente e una circuiteria configurata per produrre impulsi elettrici con determinati valori di parametri determinati da un utente e/o da un controllore, e pu? anche comprendere cavi che trasmettono gli impulsi elettrici alla sonda, che fornisce gli impulsi elettrici alla regione del cervello.
In alcune varianti, il modulo di stimolazione pu? comprendere un generatore di forme d'onda (ad esempio, un generatore di impulsi o di funzioni), un controllore di corrente e un multiplexer, uno o pi? dei quali possono essere configurati per ricevere segnali di comando dal modulo di elaborazione 18. I segnali di comando possono comprendere dati di parametri di stimolazione elettrica, compresi, ma non limitati a, ampiezza di stimolazione, larghezza di impulso, frequenza di impulso, duty cycle, e/o la sonda/le sonde specifiche e/o l'elettrodo/gli elettrodi da cui la stimolazione elettrica con i parametri specificati deve essere fornita. Il controllore di corrente pu? essere configurato per impostare un'ampiezza di stimolazione elettrica specificata dai segnali di comando, e/o il generatore di forme d'onda pu? essere configurato per generare impulsi di corrente o di tensione aventi la larghezza di impulso e/o la frequenza di impulso specificata dai segnali di comando. Il multiplexer pu? essere configurato per collegare elettricamente le sonde e/o gli elettrodi specificati dai segnali di comando con il regolatore di corrente e/o il generatore di forma d'onda. In alcune varianti, il multiplexer pu? comprendere una matrice del multiplexer che pu? essere configurata secondo i segnali di comando dal processore principale in modo che gli impulsi elettrici dal generatore di forma d'onda possano essere diretti alle sonde e/o agli elettrodi selezionati. La connettivit? tra il generatore di forma d'onda e gli elettrodi pu? essere organizzata dal multiplexer in una configurazione di stimolazione monopolare e/o una configurazione di stimolazione bipolare. In una configurazione monopolare, uno o pi? elettrodi possono essere collegati ad uno o pi? terminali attivi (per esempio, positivi) del generatore di forma d'onda (con un cuscinetto di ritorno posto altrove su un paziente). In una configurazione bipolare, un primo insieme di uno o pi? elettrodi pu? essere collegato ad uno o pi? terminali attivi (per esempio, positivi) del generatore di forma d'onda mentre un secondo insieme di uno o pi? elettrodi (per esempio distinto dal primo insieme di elettrodi) pu? essere collegato ad uno o pi? terminali di ritorno (per esempio, negativi) del generatore di forma d'onda.
In alcune varianti, il modulo di stimolazione 16 pu? essere configurato per generare un segnale di stimolazione che pu? essere caratterizzato da un insieme di parametri, e per trasmettere il segnale di stimolazione a uno o pi? degli elettrodi 12. Per esempio, il modulo di stimolazione 16 pu? comprendere un generatore di impulsi con una fonte di corrente (e/o di tensione) che genera segnali elettrici con parametri specificati da un utente e/o dal modulo di elaborazione. In alcune varianti, un generatore di impulsi pu? formare impulsi in uscita con valori specificati di ampiezza, frequenza e/o larghezza o durata dell'impulso. Facoltativamente, un generatore di impulsi pu? generare una sequenza di impulsi che ha due impulsi o pi? impulsi ripetuti con un duty cycle specificato da un utente e/o dal modulo di elaborazione 18, e il modulo di elaborazione 18 pu? regolare il duty cycle degli impulsi in accordo con una o pi? propriet? dei segnali di attivit? neurale acquisiti (per esempio, uno qualsiasi degli schemi o propriet? qui descritti).
Il modulo di acquisizione dati 20 ? responsabile dell'acquisizione di un segnale rappresentativo dell'attivit? cerebrale proveniente dal cervello del paziente, ad esempio segnali LFP che possono rappresentare l'attivit? cerebrale nella regione cerebrale dove ? impiantata la sonda 11. Il modulo di acquisizione 20 ? in comunicazione elettrica con la sonda 11 che pu? essere, in alcune varianti, la stessa sonda usata per stimolare elettricamente la regione cerebrale. Il modulo di acquisizione 20 e/o la sonda 11 possono essere configurati per acquisire segnali di attivit? neurale, come i potenziali di campo locale (LFP), risultanti dall'attivit? della regione del cervello in prossimit? delle sonde 11. Il modulo di acquisizione 20 pu? comprendere un processore di acquisizione e una memoria che memorizza e analizza i segnali di attivit? neurale acquisiti.
Il modulo di elaborazione 18 implementa un controllo adattativo del modulo di stimolazione 16 basato sul segnale acquisito dal modulo di acquisizione 20. Il modulo di elaborazione pu? avere circuiti configurati per facilitare la comunicazione tra il modulo di acquisizione 20 e il modulo di stimolazione 16, coordinare la segnalazione tra il modulo di acquisizione 20 e il modulo di stimolazione 16, e/o eseguire ulteriori calcoli sui segnali di attivit? neurale acquisiti.
Il modulo di elaborazione 18 pu? essere parte del modulo di acquisizione o del modulo di stimolazione, o pu? essere un modulo separato. In alcune varianti, il modulo di elaborazione comprende la circuiteria configurata per regolare/coordinare il funzionamento del modulo di stimolazione basato sui segnali dal modulo di acquisizione (per esempio, basato sui segnali LFP indicativi di attivit? neurale). Il modulo di elaborazione pu? avere un processore (principale) del modulo e una memoria che analizza e memorizza i segnali acquisiti di attivit? neurale e/o i segnali dal modulo di acquisizione. In alcune varianti, il modulo di elaborazione pu? comprendere circuiti che regolano la potenza fornita al modulo di stimolazione, per esempio, in coordinamento con i parametri di stimolazione elettrica determinati dal modulo di acquisizione e/o dai segnali di attivit? neurale acquisiti. Le propriet? o i parametri della stimolazione elettrica possono essere determinati dal modulo di acquisizione e/o dal modulo di elaborazione. Per esempio, i processori del modulo di acquisizione e/o del modulo di elaborazione possono analizzare i segnali di attivit? neurale acquisiti e/o memorizzati per identificare le variazioni o i cambiamenti negli schemi o nelle caratteristiche dei segnali di attivit? neurale. Il modulo di elaborazione pu? fornire segnali di comando al generatore di impulsi del modulo di stimolazione per cambiare i parametri della stimolazione elettrica secondo i cambiamenti nei segnali di attivit? neurale rilevati o estratti dal modulo di acquisizione. Il modulo di elaborazione pu? anche comprendere una batteria (per esempio, una batteria ricaricabile) e circuiti configurati per caricare e/o misurare la carica rimanente sulla batteria. Per esempio, il modulo di elaborazione pu? comprendere una batteria ricaricabile, un collegamento induttivo per caricare la batteria e una bobina induttiva per facilitare il trasferimento di alimentazione tra un dispositivo di ricarica esterno e il dispositivo di stimolazione (che pu? essere impiantato nel paziente). Opzionalmente, il modulo di elaborazione pu? comprendere un'interfaccia di trasmissione wireless (per esempio, un ricetrasmettitore) compreso un chip RF e un'antenna RF per la trasmissione del segnale tra il dispositivo di stimolazione impiantabile e un dispositivo esterno. In alcune varianti, il modulo di acquisizione pu? comprendere un processore che ? configurato per calcolare i valori di potenza spettrale dei segnali di attivit? neurale acquisiti, e i valori di potenza calcolati possono essere trasmessi al modulo di elaborazione, e il processore del modulo di elaborazione pu? essere configurato per derivare i parametri di stimolazione secondo i valori di potenza e i segnali di comando generali al generatore di impulsi per adattare o regolare i parametri della stimolazione elettrica. Opzionalmente, il modulo di elaborazione pu? comprendere ulteriori sottomoduli con circuiti configurati per la gestione dell'alimentazione, il controllo dell'impedenza degli elettrodi, e/o la calibrazione e/o le analisi diagnostiche (ad esempio, la risoluzione dei problemi) del modulo di stimolazione.
Tornando al modulo di acquisizione 20 di FIG. 1, la sua funzione principale ? quella di misurare le variazioni di campo elettrico dei biopotenziali locali rilevando direttamente la differenza tra i potenziali elettrici riferiti ad un elettrodo comune 17 e di amplificare tale differenza in modo da raggiungere un livello di tensione utile alla conversione analogico-digitale necessaria all'elaborazione del segnale.
Di conseguenza, il modulo di acquisizione 20 pu? comprendere porte di ingresso che sono ciascuna collegata a diversi elettrodi 12 sulla sonda 11 e circuiti elettrici che sono configurati per misurare le variazioni di campo elettrico dei biopotenziali locali o potenziali di campo locali (LFP) basati sui segnali dalle porte di ingresso. I circuiti elettrici del modulo di acquisizione possono comprendere una o pi? unit? di elaborazione o processori (ad esempio, una CPU, e/o uno o pi? field-programmable gate array, e/o uno o pi? circuiti integrati specifici per l'applicazione) che possono essere configurati per eseguire operazioni di calcolo, uno o pi? elementi di memoria, uno o pi? amplificatori, uno o pi? filtri, e/o uno o pi? convertitori analogico-digitali.
FIG.2 ? un diagramma a blocchi funzionale che mostra le operazioni implementate dai moduli di acquisizione 20 e di elaborazione 18 dell'unit? di elaborazione e stimolazione 14. Come accennato in precedenza, al blocco 21 il modulo di acquisizione 20 pu? calcolare una serie di caratteristiche di segnale dei segnali di attivit? neurale acquisiti, ad esempio, i valori di potenza spettrale. I valori di potenza spettrale possono essere trasmessi al modulo di elaborazione 18 e l'unit? di elaborazione del modulo pu? applicare una prima logica di controllo (indicata al blocco 22) ai valori di potenza spettrale ricevuti per ricavare i parametri di stimolazione per adattare o regolare i parametri della stimolazione elettrica.
La prima logica di controllo del blocco 22 pu? essere una funzione che dipende da almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale e pu? essere basato su almeno un parametro di controllo La prima logica di controllo pu? essere fatta di una pluralit? di sezioni di funzione, in cui ogni sezione di funzione della pluralit? di sezioni di funzione ? relativa a un rispettivo intervallo della almeno una caratteristica di segnale Almeno una sezione di funzione della pluralit? di sezioni di funzione pu? essere una funzione che dipende da almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale. Almeno una sezione di funzione della pluralit? di sezioni di funzione pu? essere una funzione lineare di almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale. Almeno un?altra sezione di funzione della pluralit? di sezioni di funzione pu? essere un valore costante.
Per esempio, in un'implementazione, la prima logica di controllo pu? comprendere una prima sezione di funzione in cui il parametro di stimolazione A ? proporzionale alla caratteristica di segnale La prima sezione di funzione pu? essere relativa a un primo intervallo della caratteristica di segnale La prima logica di controllo pu? comprendere una seconda sezione di funzione che definisce un limite superiore Amax del parametro di stimolazione A. La seconda sezione di funzione pu? essere relativa a un secondo intervallo della caratteristica di segnale La prima logica di controllo pu? inoltre comprendere una terza sezione di funzione che definisce un limite inferiore Amin del parametro di stimolazione A. La terza sezione di funzione pu? essere relativa a un terzo intervallo della caratteristica di segnale I limiti superiore e inferiore del parametro di stimolazione A possono definire una finestra del parametro di stimolazione (Amax, Amin).
Di conseguenza, la prima logica di controllo pu? essere la seguente:
In questo caso la prima logica di controllo ? caratterizzata da un primo parametro di controllo
e un secondo parametro di controllo
Per esempio, in un'implementazione, l'almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale pu? essere una caratteristica spettrale all'interno di una banda di frequenza, preferibilmente una potenza del segnale di attivit? neurale nella banda di frequenza. La banda di frequenza pu? essere una banda a bassa frequenza, la banda di frequenza alfa, o la banda di frequenza beta e le frequenze gamma. La banda di frequenza pu? essere preimpostata (hard coded) o inserita come parametro non regolabile.
Di conseguenza, la prima logica di controllo pu? comprendere una prima sezione di funzione in cui il parametro di stimolazione A ? proporzionale alla potenza del segnale nella banda di frequenza. La prima sezione di funzione pu? essere relativa a un primo intervallo di potenza
La prima logica di controllo pu? comprendere una seconda sezione di
funzione che definisce un limite superiore Amax del parametro di stimolazione A. La seconda sezione di funzione pu? essere relativa a un secondo intervallo di potenza La prima logica di controllo pu? inoltre comprendere una terza sezione di funzione che definisce un limite inferiore Amin del parametro di stimolazione A. La terza sezione di funzione ? relativa a un terzo intervallo di potenza
In questa implementazione, la prima logica di controllo pu? essere la seguente:
In questo caso la prima logica di controllo ? caratterizzata da un primo parametro di controllo corrispondente a una potenza spettrale massima Pmax e un secondo parametro di controllo corrispondente a una potenza spettrale minima Pmin.
In alcune implementazioni, almeno una caratteristica di segnale pu? essere una di, o qualsiasi combinazione di, un'ampiezza del segnale, una fase del segnale, un'entropia, una inter o intra coerenza del segnale, un inter o intra accoppiamento di ampiezza di fase, uno spettro frattale, una dimensione frattale, un valore di phase lock, un indice di modulazione, una curtosi, un indice di fluttuazione ecc.
Il modulo di elaborazione pu? essere ulteriormente configurato per elaborare le registrazioni di segnale di attivit? neurale ricevute dal modulo di acquisizione sulla base di una seconda logica di controllo (indicata al blocco 23) e per regolare almeno un parametro di controllo Pmin,Pmax della prima logica di controllo del blocco 22 sulla base delle registrazioni di segnale di attivit? neurale elaborate secondo la seconda logica di controllo.
Le FIGG.3a ? 3c sono esempi della seconda logica di controllo 23 che il modulo di elaborazione 18 pu? utilizzare per regolare i parametri di controllo Pmin,Pmax che caratterizzano la prima logica di controllo.
Nell'esempio di FIG. 3a, la seconda logica di controllo pu? essere implementata come calcolo delle bande di Bollinger, con il primo parametro di controllo Pmax impostato su un limite superiore della banda e il secondo parametro di controllo Pmin impostato su un limite inferiore della banda. Sia il limite superiore che quello inferiore della banda possono essere calcolati sulla base di serie temporali di potenza raccolte in minuti, ore, giorni, settimane o mesi.
Il calcolo delle bande di Bollinger pu? essere basato su una media mobile semplice di qualsiasi periodo di tempo, come 30 minuti, un'ora, un giorno, una settimana, ecc. Le bande di Bollinger possono in alternativa essere calcolate sulla base di una media mobile esponenziale. I limiti superiore e inferiore della banda di Bollinger possono essere un numero k di deviazioni standard (in positivo e in negativo) lontano dalla media mobile.
Una potenza media e una deviazione standard media della banda di frequenza possono essere calcolati dalla seconda logica di controllo con periodi di tempo scorrevoli, per esempio, periodi di tempo scorrevoli di 24 ore. Di conseguenza, dopo 24 ore ad ogni passo temporale (per esempio, ogni minuto) il modulo di elaborazione pu? calcolare i limiti superiore e inferiore della banda di Bollinger sulla base dei dati raccolti durante le ultime 24 ore.
I limiti superiore e inferiore della banda di Bollinger possono essere calcolati come:
I periodi di tempo per il calcolo della media mobile e della deviazione standard, e la larghezza della banda di Bollinger data dal fattore k sono iperparametri del calcolo della banda di Bollinger.
In alcune varianti, il calcolo della banda di Bollinger pu? essere applicato ai parametri di controllo della prima logica di controllo che definiscono una soglia e sono dinamicamente regolabili. La prima logica di controllo pu? controllare l'accensione e lo spegnimento della stimolazione sulla base di un valore di soglia di almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale. Il valore di soglia pu? essere calcolato come il limite superiore o inferiore della banda di Bollinger.
Nell'esempio di FIG. 3b, la seconda logica di controllo 23 pu? essere implementata come un modello di apprendimento non supervisionato che stabilisce i cluster delle registrazioni di segnale di attivit? neurale in base ad almeno una caratteristica di segnale. Il modello di apprendimento non supervisionato pu? essere implementato come un metodo di clustering K-means. Il metodo di clustering K-means pu? assegnare le registrazioni di segnale ai K-cluster basati su una distanza della caratteristica di segnale da un centroide di ogni cluster, dove K ? un iperparametro che corrisponde ad un numero totale di cluster.
A titolo di esempio, almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale pu? essere la potenza spettrale nella banda di frequenza calcolata per ogni registrazione di segnale di attivit? neurale e il numero di cluster pu? essere due con i parametri di controllo Pmax e Pmin che corrispondono a un centroide di un rispettivo cluster. Di conseguenza, la potenza spettrale calcolata che ? pi? vicina al centroide di un cluster sar? classificata sotto il cluster corrispondente. Il valore di ogni centroide viene aggiornato dopo l'assegnazione della potenza spettrale calcolata a un rispettivo cluster. I parametri di controllo Pmax e Pmin determinati durante una fase di inizializzazione forniscono i valori iniziali dei centroidi dei cluster e cambiano iterativamente con i valori di potenza spettrale calcolata aggiunti al rispettivo cluster. Questo permette di regolare i parametri di controllo Pmax e Pmin nel tempo in base allo sviluppo del segnale di attivit? neurale registrato. In alternativa, i valori del centroide possono essere inizializzati in modo casuale.
In alcune varianti, il modello di apprendimento non supervisionato pu? essere implementato come modelli di clustering esclusivi (ad esempio, k-means), sovrapposti (ad esempio, fuzzy k-means), gerarchici o probabilistici (ad esempio, Gaussian Mixture Models). Il numero di cluster pu? essere predefinito (ad esempio, due cluster) o impostato durante e/o dopo l'acquisizione delle registrazioni di segnale di attivit? neurale.
Nell'esempio di FIG. 3c, la seconda logica di controllo 23 pu? essere implementata come un controllore fuzzy basato sul tempo che stima una nuova serie di parametri di controllo della prima logica di controllo sulla base di almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnali di attivit? neurale e una relativa fascia oraria giornaliera della sua registrazione. Il regolatore fuzzy basato sul tempo pu? raggruppare ed elaborare almeno una caratteristica di segnale dei segnali di attivit? neurale registrati basati sulla fascia oraria giornaliera in cui il rispettivo segnale di attivit? neurale ? stato registrato.
Per esempio, in un'implementazione le caratteristiche di segnale dei segnali di attivit? neurale registrati tra le 10:00 ? 12:00 e 14:00 ? 16:00 possono essere raggruppate per appartenere a un primo gruppo, e le caratteristiche di segnale dei segnali di attivit? neurale registrati tra le 8:00 -10:00 e 12:00 ? 14:00 possono essere raggruppate per appartenere a un secondo gruppo. A titolo di esempio, almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale pu? essere la potenza spettrale nella banda di frequenza calcolata per ogni registrazione di segnale di attivit? neurale. I parametri di controllo Pmax e Pmin possono essere uguali al valore medio dei valori di potenza spettrale rispettivamente del primo e del secondo gruppo. In uno scenario di applicazione in tempo reale, i parametri di controllo Pmax e Pmin possono essere aggiornati ogni giorno, o settimana, o mese. Le fasce orarie del giorno per il raggruppamento delle caratteristiche dei segnali di attivit? neurale possono essere preimpostate.
FIG.4a ? un primo metodo esemplificativo 100 per il controllo di un dispositivo per il trattamento adattativo dei disturbi neurologici secondo la presente invenzione. Il metodo 100 comprende, a 101, la fase di acquisizione e/o memorizzazione delle registrazioni di segnali di attivit? neurale come, per esempio, i potenziali di campo locali (LFP) per un periodo di tempo predefinito (per esempio, 1 giorno, 10 giorni, ecc.). Per esempio, in alcuni casi, le registrazioni di segnale di attivit? neurale durante un giorno (ad esempio, durante le regolari attivit? quotidiane) possono essere acquisite e registrate separatamente per il nucleo subtalamico sinistro (STN) e il STN destro in un intervallo di frequenza compresa tra 5 Hz e 35 Hz. L'acquisizione pu? essere fatta in una banda di frequenza per la registrazione di segnale di attivit? neurale selezionata da una banda a bassa frequenza, la banda di frequenza alfa, la banda di frequenza beta, e/o le frequenze gamma. La banda di frequenza pu? essere determinata identificando un picco nelle caratteristiche spettrali estratte e definendo la banda di frequenza come un intervallo di frequenza intorno al picco, preferibilmente centrato al picco. In alcune varianti, la banda di frequenza pu? essere preimpostata (hard coded) o inserita come parametro non regolabile.
Il metodo 100 comprende, a 102, la fase di elaborazione delle registrazioni acquisite di segnale di attivit? neurale per estrarre le caratteristiche di segnale neurale. Per esempio, in alcuni casi, il metodo pu? prevedere l'estrazione delle caratteristiche spettrali, come la potenza spettrale, all'interno di una banda di frequenza delle registrazioni di segnale di attivit? neurale che sono registrate durante un periodo di tempo predefinito
Le caratteristiche di segnale estratte possono essere trasmesse, a 103, al modulo di elaborazione 18 per derivare i parametri di stimolazione secondo la prima e la seconda logica di controllo come descritto prima. In dettaglio, mentre almeno un parametro di stimolazione di un segnale di stimolazione ? regolato in base alla prima logica di controllo e alle registrazioni di segnale di attivit? neurale, le registrazioni di segnale di attivit? neurale sono elaborate secondo una seconda logica di controllo per regolare i parametri di controllo della prima logica di controllo.
Almeno un parametro di stimolazione di un segnale di stimolazione ? regolato sulla base di una serie temporale di registrazioni di segnali di attivit? neurale raccolti che ? solitamente pi? breve di una serie temporale di registrazioni di segnali di attivit? neurale raccolti sulla base della quale sono regolati i parametri di controllo della prima logica di controllo.
FIG. 4b ? un secondo metodo 200 esemplificativo per il controllo di un dispositivo per il trattamento adattativo dei disturbi neurologici secondo la presente invenzione. Oltre ai passi del primo metodo esemplificativo 100, il metodo 200 comprende una routine per inizializzare la prima logica di controllo basata sui segnali neurali raccolti.
Il metodo 200 comprende, a 101, la fase di acquisizione e/o memorizzazione delle registrazioni di segnale di attivit? neurale e, a 102. l'ulteriore elaborazione delle registrazioni di segnale di attivit? neurale acquisite ed estrazione delle caratteristiche di segnale neurale. Se il processo ? appena iniziato e la prima logica di controllo deve ancora essere inizializzata, ossia i suoi parametri di controllo devono ancora essere impostati, la fase di acquisizione e/o memorizzazione delle registrazioni di segnali di attivit? neurale e l'ulteriore elaborazione delle registrazioni di segnali di attivit? neurale acquisite vengono eseguite preferibilmente in assenza di stimolazione e/o medicazione e, a 201 e 202, il metodo utilizza le caratteristiche di segnale neurale estratte dalle registrazioni di segnali di attivit? neurale acquisite per calcolare i parametri di controllo (come sar? descritto in dettaglio di seguito). La stimolazione adattativa viene infine avviata a 203.
FIG.5 ? un metodo esemplificativo 300 per inizializzare la prima logica di controllo, in particolare per il caso in cui la prima logica di controllo ? una funzione che dipende dalla potenza spettrale in una banda di frequenza del segnale di attivit? neurale e i parametri di controllo della prima logica di controllo sono un primo parametro di controllo corrispondente a una potenza spettrale minima Pmin e un secondo parametro di controllo corrispondente a una potenza spettrale massima Pmax. Il metodo 300 prevede l'elaborazione delle registrazioni di segnale di attivit? neurale acquisite in assenza di stimolazione. Le registrazioni di segnali di attivit? neurale sono elaborate a 301 per estrarre lo spettro del segnale 601 (mostrato in FIG.6) e per determinare una frequenza di picco 603 delle registrazioni di segnali di attivit? neurale. In base alla posizione del picco all'interno dell?intervallo di frequenza, viene selezionata una banda di frequenza specifica per il paziente e impostata per essere intorno al picco e preferibilmente centrata intorno al picco.
A 302, il metodo 300 determina la potenza spettrale 605 delle registrazioni di segnale di attivit? neurale nella banda di frequenza selezionata specifica per il paziente. Poi, il metodo determina a 303 la potenza spettrale 604 di uno spettro di attivit? di background 602 nella stessa banda di frequenza specifica per il paziente. A questo scopo, una funzione di rumore ? adattata allo spettro di frequenza delle registrazioni di segnale di attivit? neurale. La funzione di rumore pu? essere espressa come segue: e pu? corrispondere ad esempio al rumore bianco (? = 0) o al
rumore rosa (?=1) o al rumore rosso (? = 2). In alcune varianti, lo spettro di attivit? di background 602 ? determinato calcolando le componenti frattali del segnale di attivit? neurale (separando cos? la parte non oscillatoria dalla parte oscillatoria).
Infine, il primo e il secondo parametro di controllo Pmax e Pmin sono impostati rispettivamente a 304 e 305. Il primo parametro di controllo Pmax ? impostato uguale alla potenza spettrale 605 delle registrazioni di segnale di attivit? neurale acquisito in assenza di stimolazione calcolata nella banda di frequenza specifica per il paziente selezionato e il secondo parametro di controllo Pmin ? impostato uguale alla potenza spettrale 604 dello spettro di attivit? di background adattato allo spettro del segnale di attivit? neurale acquisito preferibilmente in assenza di stimolazione e/o terapia farmacologica, calcolato nella banda di frequenza selezionata, specifica per il paziente.
FIG. 7 ? una rappresentazione schematica di un metodo esemplificativo per stabilire una connessione wireless tra una porzione impiantabile 10a del dispositivo per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche 10 (qui indicato anche come 'dispositivo generatore di impulsi impiantabile (IPG)') e una porzione esterna 10b (qui indicato anche come 'dispositivo di controllo personale del paziente'). Il dispositivo di controllo personale del paziente 10b pu? trasmettere alimentazione attraverso la connessione wireless per caricare l'IPG 10a. In alternativa, o in aggiunta, il dispositivo IPG 10a pu? trasmettere/ricevere le registrazioni di segnale di attivit? neurale e/o i parametri di stimolazione a/dal dispositivo di controllo personale del paziente 10b. Per esempio, l'IPG 10a pu? trasmettere le registrazioni di segnale di attivit? neurale attraverso la connessione wireless al dispositivo di controllo personale del paziente 10b, e il dispositivo di controllo personale 10b pu? trasmettere i parametri di stimolazione o le istruzioni attraverso la connessione wireless all'IPG 10a. In alcuni casi la connessione wireless tra il dispositivo impiantabile 10a e il dispositivo di controllo personale del paziente 10b (ad esempio, un'unit? di ricarica del dispositivo di controllo personale del paziente) pu? essere stabilita quando il dispositivo di controllo personale del paziente 10b e il dispositivo impiantabile 10a si trovano a una distanza predeterminata (ad esempio, da 2 centimetri a 10 centimetri, da 1 millimetro a 1 metro, e/o simili) e all?intervallo di orientamento. L?intervallo di orientamento pu? coinvolgere, per esempio, l'allineamento di un orientamento verticale del dispositivo personale del regolatore del paziente ad un orientamento verticale del dispositivo impiantabile entro un margine di errore di 5 gradi di rotazione, un margine di errore di 10 gradi di rotazione, e/o simili. Il dispositivo di controllo personale 10b pu? trasmettere l'alimentazione al dispositivo impiantabile 10a e il dispositivo impiantabile 10a pu? trasmettere le registrazioni di segnale di attivit? neurale al dispositivo di controllo personale 10b attraverso il primo collegamento wireless.
La descrizione precedente, a scopo esplicativo, si riferisce specificamente alle applicazioni DBS. Tuttavia, l'invenzione divulgata pu? essere applicata anche a diverse implementazioni come ad esempio, SCS per il trattamento del dolore. Nel caso di SCS, il modulo di acquisizione pu? essere configurato per acquisire l'attivit? neurale dei nervi spinali in risposta alla stimolazione elettrica quando gli elettrodi sono posti nella colonna vertebrale. La risposta della spina dorsale alla stimolazione elettrica ? la sommatoria dell'attivazione di un insieme di fibre neurali, cio? potenziali d'azione composti evocati (ECAP). Il modulo di elaborazione pu? essere configurato per calcolare un gruppo di caratteristiche di segnale dei segnali di attivit? neurale acquisiti, (ad esempio, la potenza spettrale degli ECAP). I valori di potenza spettrale possono essere trasmessi al modulo di elaborazione ed il processore del modulo di elaborazione pu? applicare una prima logica di controllo alla caratteristica ricevuta del segnale per derivare i parametri di stimolazione per adattare o regolare i parametri della stimolazione elettrica. Il processore del modulo di elaborazione pu? anche applicare una seconda logica di controllo per regolare il parametro di controllo della prima logica di controllo come descritto sopra. Le considerazioni di cui sopra per l'implementazione della prima e della seconda logica di controllo restano valide.
La descrizione precedente, a scopo di spiegazione, ha usato una nomenclatura specifica per fornire una comprensione approfondita dell'invenzione. Tuttavia, sar? evidente per un esperto nell'arte che i dettagli specifici non sono richiesti per mettere in pratica l'invenzione. Cos?, le descrizioni precedenti di varianti specifiche dell'invenzione sono presentate a scopo di illustrazione e descrizione. Non sono intesi per essere esaustivi o per limitare l'invenzione alle forme precise rivelate; ovviamente, molte modifiche e variazioni sono possibili in vista degli insegnamenti di cui sopra. Le variazioni sono state scelte e descritte al fine di spiegare i principi dell'invenzione e le sue applicazioni pratiche, quindi permettono ad altri esperti nell'arte di utilizzare l'invenzione e le varie variazioni con varie modifiche adatte all'uso particolare contemplato. Si intende che le seguenti rivendicazioni e i loro equivalenti definiscono la portata dell'invenzione.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo (10) per il trattamento adattativo delle malattie neurologiche che comprende un elettrodo impiantabile (11) configurato per rilevare segnali di attivit? neurale e applicare segnali di stimolazione elettrica, e un'unit? di elaborazione e stimolazione (14) collegata all'elettrodo impiantabile (11), dove l'unit? di elaborazione e stimolazione comprende almeno: un modulo di stimolazione (16) configurato per generare un segnale di stimolazione da portare all'elettrodo impiantabile (11), il segnale di stimolazione essendo caratterizzato da almeno un parametro di stimolazione; un modulo di acquisizione (20) configurato per acquisire registrazioni di segnali di attivit? neurale rilevati dall'elettrodo impiantabile; e un modulo di elaborazione (18) configurato per elaborare le registrazioni di segnale di attivit? neurale acquisite dal modulo di acquisizione (20) sulla base di una prima logica di controllo (22) e per regolare almeno un parametro di stimolazione (A) sulla base di almeno una registrazione di segnale di attivit? neurale elaborata secondo la prima logica di controllo (22), essendo la prima logica di controllo una funzione dipendente da almeno una caratteristica di segnale (Fi) delle registrazioni di segnale di attivit? neurale, essendo basata su almeno un parametro di controllo (Cj) ed essendo costituita da una pluralit? di sezioni di funzione dove ogni sezione di funzione della pluralit? di sezioni di funzione ? relativa a un rispettivo intervallo dell?almeno una caratteristica di segnale (Fi), laddove il modulo di elaborazione (18) ? configurato per elaborare le registrazioni di segnale di attivit? neurale acquisite dal modulo di acquisizione (20) sulla base di una seconda logica di controllo (23) e per regolare almeno un parametro di controllo (Cj) della prima logica di controllo (22) sulla base di almeno una registrazione di segnale di attivit? neurale elaborata secondo la seconda logica di controllo (23).
- 2. Il dispositivo (10) della rivendicazione 1, in cui almeno una sezione di funzione della pluralit? di sezioni di funzione della prima logica di controllo (22) ? una funzione che dipende da almeno una caratteristica di segnale (Fi) delle registrazioni di segnale di attivit? neurale, preferibilmente una funzione lineare della almeno una caratteristica di segnale (Fi) delle registrazioni di segnale di attivit? neurale.
- 3. Il dispositivo (10) della rivendicazione 1 o 2, in cui almeno un parametro di stimolazione (A) di un segnale di stimolazione ? regolato sulla base di una prima serie temporale di registrazioni di segnali di attivit? neurale raccolti e l?almeno un parametro di controllo (Cj) della prima logica di controllo (22) ? regolato sulla base di una seconda serie temporale di registrazioni di segnali di attivit? neurale raccolti, laddove la prima serie temporale ? pi? breve della seconda serie temporale.
- 4. Il dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui la seconda logica di controllo (23) ? un calcolatore di bande di Bollinger, con un primo parametro di controllo (C1) della prima logica di controllo (22) impostato su un limite superiore della banda e un secondo parametro di controllo (C2) della prima logica di controllo (22) impostato su un limite inferiore della banda; o in cui la seconda logica di controllo (23) ? un modello di apprendimento non supervisionato che stabilisce un cluster delle registrazioni di segnale di attivit? neurale basato sulla sua almeno una caratteristica di segnale (Fi) per ogni parametro di controllo (Cj) della prima logica di controllo (22), con ogni parametro di controllo (Cj) corrispondente a un centroide di un rispettivo cluster; o in cui la seconda logica di controllo (23) ? un controllore fuzzy basato sul tempo che stima almeno un parametro di controllo (Cj) della prima logica di controllo (22) sulla base di almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale e una relativa fascia oraria giornaliera durante la quale le registrazioni di segnale di attivit? neurale sono state acquisite.
- 5. Il dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'unit? di elaborazione e stimolazione (14) ? configurata per estrarre le caratteristiche spettrali all'interno di una banda di frequenza delle registrazioni di segnale di attivit? neurale che sono registrate durante un periodo di tempo predefinito, la banda di frequenza essendo preferibilmente una banda di bassa frequenza, la banda di frequenza alfa, la banda di frequenza beta o frequenze gamma; e dove almeno una caratteristica di segnale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale ? una caratteristica spettrale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale nella banda di frequenza, preferibilmente una potenza spettrale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale nella banda di frequenza.
- 6. Il dispositivo (10) secondo la rivendicazione 5, in cui la prima logica di controllo (22) comprende una prima sezione di funzione in cui l'almeno un parametro di stimolazione (A) ? proporzionale alla potenza spettrale (P) delle registrazioni di segnale di attivit? neurale all'interno della banda di frequenza, la prima sezione di funzione essendo relativa a un primo intervallo di potenza compreso tra una potenza spettrale minima (Pmin) e una potenza spettrale massima (Pmax).
- 7. Il dispositivo (10) secondo la rivendicazione 6, in cui la prima logica di controllo (22) ?con Amin e Amax che sono rispettivamente un limite inferiore e uno superiore del parametro di stimolazione (A).
- 8. Il dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7 quando dipendente dalla rivendicazione 4, in cui il limite superiore della banda e il limite inferiore della banda sono distanti un numero (k) positivo o negativo di una deviazione standard media da una potenza media entrambi calcolati con periodi di tempo scorrevoli, laddove preferibilmente la potenza media ? calcolata come media mobile semplice della potenza spettrale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale entro la banda di frequenza o come media mobile esponenziale della potenza spettrale delle registrazioni di segnale di attivit? neurale entro la banda di frequenza.
- 9. Il dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 7, in cui almeno un parametro di controllo (Cj) della prima logica di controllo (22) ? impostato uguale al valore medio delle caratteristiche di segnale raggruppate dalla seconda logica di controllo (23) in base alla fascia oraria giornaliera in cui sono state acquisite le registrazioni di segnale di attivit? neurale.
- 10. Il dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il modulo di elaborazione (18) ? ulteriormente configurato per inizializzare almeno un parametro di controllo (Cj) basato su almeno una registrazione di segnale di attivit? neurale acquisita dal modulo di acquisizione (20).
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