JP2021527517A - 気分障害を治療するためのシステムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

患者の気分障害を治療するためのシステムは、皮質信号を感知するため、および1つまたは複数の脳領域を刺激するための1つまたは複数の電極を含む移植可能なデバイスを含む。電極と通信しているプロセッサ/コントローラは、電極からの皮質信号を受信して処理し、脳領域の刺激を制御する。システムは、患者によって操作可能であり、患者の気分を表す生態学的気分評価(EMA)データを取得し、EMAデータをプロセッサ/コントローラおよび/または少なくとも1つのリモートプロセッサに通信するためのソフトウェアを有する携帯型通信装置を含む。センサはまた、患者データを記録するために使用されてもよい。このデータは、気分障害を治療するために脳領域への刺激を調節および/または制御するために、プロセッサ/コントローラ、および/または移植可能な通信デバイスのプロセッサ、および/またはリモートプロセッサによって処理される。移植可能なデバイスは、電源を含んでもよい。移植可能なデバイスは、頭蓋内および/または頭蓋冠内に移植されてもよい。

Description

[関連出願]
本願は、2018年6月20日に出願された米国仮特許出願第62/687,264号からの優先権の利益を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
[本発明の分野と背景]
本発明は、そのいくつかの実施形態において、気分障害を治療するためのシステムおよび方法の分野に関し、より具体的には、うつ病を治療するための脳コンピュータインターフェース(BCI)システムおよび方法に関する。
現在の抗うつ薬による治療では、うつ病に関連した症状を効果的に制御するにはかなりの限界がある。難治性大うつ病性障害として知られる再発性または重度の治療抵抗性のうつ病と診断されている米国人は400万人に上る。主観的診断、障害の多様な症状、および理論的根拠が限られた抗うつ薬治療が、それぞれ難治性集団における治療効果の限界および治療抵抗性のレベルの違いの一因となっている。このような治療抵抗性の患者に対する刺激療法は、有効性の一貫性のない報告とさまざまな副作用に悩まされている。これらの問題の多くは、うつ病性障害の発症機序が不明であることに起因しており、うつ病性障害の特定の根本原因を標的とした治療法の開発が妨げられている。その他の問題は、開ループ構成における様々な辺縁系および傍辺縁系の非特異的刺激に起因する可能性が高い。閉ループ神経刺激デバイスの設計が提案されているが、効果的で検証されたバイオマーカがないため、これらのシステムが適切でタイムリーな刺激レジームを提供する能力を妨げている。
うつ病は、北米における死亡率と標準以下の日常生活機能の上位の原因の一つである(Wells et al.,1989)。「うつ病」という用語は、現在、共通の症状を共有している異種病理学の広範なセット、すなわち気分や感情の異常な制御や表現として現れる病理学を説明するために使用されている(Davidson et al.,2002)。うつ病患者は多様な臨床症状を有する。これには、意気消沈した気分、日常的な作業の楽しみの減少、歪んだ睡眠スケジュール、行動/食欲/体重の変化、運動機能の変化、エネルギーレベルの低下、集中力の低下、無価値または罪悪感の思考、および長期間にわたる死または自殺の思考が含まれる(First and Ross,2000; Kroenke et al.,2001)。現在の治療法は、多くのうつ病患者、特に難治性大うつ病性障害(難治性MDD)を有する患者において、必ずしも効果的に症状を制御できるとは限らない(Kessler et al.,2005;Cyberonics,2007)。難治性MDDは、複数種類の抗うつ治療を用いても寛解しない、重度の、しばしば自殺行為を伴うようなうつ病エピソードの再発、長期にわたるサイクルを特徴とする。うつ病エピソードは、1年も持続し(Judd et al.,1998)、罹患した患者の健康、活動、仕事、およびウェルビーイングが著しく損なわれる(Manji et al.,2001)。FDAの承認を受けた最適な抗うつ薬治療法を用いても、MDD患者のかなりの割合でエピソードが再発する(Mueller et al.,1999;Kessler et al.,2003)。より効果的で信頼性が高く、パーソナライズされ、耐久性のある治療法が必要であることは明らかである。
現在、すべてのうつ病患者の50〜60%は、適切に処方された最初の治療を受けても、部分的または完全に反応しないままである(Fava,2003)。これらの患者のうち20%までは、複数の抗うつ薬および/または電気けいれん療法(ECT)を用いた、より極端な治療を必要とするが、成功率にはばらつきがある(Fava,2003; Mayberg et al.,2005)。12種類の抗うつ薬と12,564人の参加者を対象とした74件の発表済みおよび未発表の抗うつ薬有効性試験のメタアナリシスでは、FDAにデータを提出した試験のうち、肯定的な結果が得られたのは51%のみであることが示された(Turner et al.,2008)。選択的セロトニン再取り込み阻害薬(SSRI)の有効性試験から得られた47の発表済みおよび未発表のFDA臨床試験のデータセットを対象とした別のメタ分析では、過去25年以内に最も多く処方されている7種類のSSRI抗うつ薬のうち6種類は、「非常に重度のうつ病カテゴリの上端」においてのみプラセボと比較して臨床的に有意な効果を示していることが示されている(Kirsch et al.,2008)。後者の研究は、うつ病性障害に対する第一級の薬として処方されることが多いSSRIが、大多数の患者において症状緩和の利点よりも患者の健康に対するリスクの方が大きいことを示唆している(Kirsch et al.,2008年;Turner et al.,2008)。
より最近では、異常な神経活動を電気的に変調させるように設計された刺激ベースの技術が、難治性MDD患者の治療アプローチの可能性として浮上してきている。しかし、これらの技術の有効性は、うつ病性障害の病態生理の理解が不完全であること、およびうつ病状態の再現性と定量化が可能な生物学的マーカ(すなわちバイオマーカ)が不足していることによって妨げられているという課題が残っている(抗うつ薬の治療効果は、患者が報告した症状緩和を用いて主観的に評価されており、抗うつ薬の反応を定量化し、治療を最適化するために、客観的に定量化されたうつ病に関連したバイオマーカレベルを使用するという見通しを事実上無視している)。これまでに、うつ病に関連する構造的、機能的、遺伝的な異常が多数確認されている。てんかん研究分野での発見は、発作が差し迫っていることを示す生物学的指標を用いて、発作を止めるために電気的または化学的刺激を加えなければならない時間を決定する閉ループ神経プロテーゼへの関心に火をつけた(Dumitriu et al.,2008)。応答性神経刺激として知られるこのプロセスは、閉ループデバイスに特有のものである。これは、連続的または周期的な開ループ刺激の設計に取って代わることを意図しており、定量化可能な症状に関連したバイオマーカ異常に基づいて、必要な場合にのみ用量依存的な方法で調整された治療が提供されるようになっている(Sun et al.,2008; Goodman and Insel,2009)。うつ病についても同様のアプローチが可能であると考えられている。しかし、最近のうつ病研究の進歩にもかかわらず、難治性MDDの治療のための閉ループプロテーゼは現在までに存在していない。これは主に、脳刺激装置に意味のある情報を与えることができるタイムスケールで動作する、定量化可能なうつ病の生物学的マーカの候補がないことが原因の一つである。移植された記録システムでは発作は合理的に検出できるが、うつ病の活動状態でも同様の信号を識別できるという証拠は限られている。これは、うつ病の基本的なメカニズムに対する科学的洞察が不足していることと、うつ病の病理学的な原因には個人差が大きいことに起因している。
[現在の診断と治療のプロトコル]
うつ病は現在、患者の報告症状、臨床病歴、および完全な身体検査の評価によって診断されている。患者は、9項目のPatient Health Questionnaire(PHQ−9)、Hamilton Depression Rating Scale(HAM−DまたはHDRS)、またはMontgomery−Asberg Depression Rating Scale(MADRS)(Kearns et al.,1982;Kroenke et al.,2001)などのうつ病に特化した標準化された評価を用いて初期評価されることが多い。各調査は、DSM−IV基準に従ってうつ病の診断に用いられる症状の重症度を推定するために使用される。次に、患者の臨床病歴と身体検査を用いて、症状に対する他の明らかで治療可能な説明を除外する(Depression Guideline Panel,1994)。難治性MDDの診断には時間がかかるが、生命を脅かす可能性のある抗うつ薬の副作用(例えば、暴力的行動、心血管系の問題、および/または死/自殺の考えの再発)があるため、患者の健康にとって最善の利益とはならないことが多い(Peretti et al.2000;Mann,2005)。MDD患者に対する最も一般的な最初の治療法は、心理療法および/または低用量SSRI抗うつ薬療法である。心理療法のセッションでは、正常な感情や行動に関連する前頭前野、海馬、帯状皮質の領域の大脳辺縁皮質経路を変調するために、患者は思考や行動のパターンを変えるように指導される(Goldapple et al.,2004)。特定の抗うつ薬を6〜12週間投与することが推奨され(Quitkin et al.,1986;Mann、2005)、その後、HAM−DまたはMADRS質問票を用いて有効性を評価することができる(推奨されている評価期間にもかかわらず、有効性は通常、治療の4〜6週間後に評価される)。患者がゼロまたは問題のない症状である程度の効果を示した場合には、同じ薬の増量または第2の抗うつ薬が処方される。患者が少なくとも2種類の抗うつ薬を適切に処方しても有意な効果が得られない場合(すなわち、正しい用量と十分な評価期間)、その患者は難治性MDDと診断される(Dumitriu et al.,2008)。その後、治療抵抗性のレベルは、いくつかの非標準的なアルゴリズムのうちの1つを使用して推定され、特にThase and Rush (1997)によって発表された5段階モデルが挙げられる(Dumitriu et al.,2008)。定量化可能なうつ病性障害特異的バイオマーカに基づく客観的な診断検査は、診断精度を向上させ、うつ病性障害のさまざまな症状の分類を改善するために必要である。まとめると、うつ病性障害の治療が失敗する主な原因は、客観的な診断基準がないことに起因しており、同じ共通の症状プロファイルを共有しながらも、異なる状況下でうつ病性障害を発症しているうつ病患者をより正確に区別することを阻害している(Lacasse and Leo,2005)。抗うつ薬治療には、標的が明確に定義されておらず、作用機序が証明されておらず、臨床効果の一貫性のある報告がないため、治療抵抗性のレベルが異なることが一貫して報告されているのは当然である(Thase and Rush,1997;Fava,2003;Mann,2005;Belmaker and Agam,2008;Kirsch et al.,2008)。難治性集団において治療効果の向上が望まれる場合には、病状と修正の時期の両方において、より個人用に調整された抗うつ薬治療が必要である。
[うつ病治療のための脳への刺激]
うつ病の治療において、薬物療法に代わる選択肢はほとんどない。重症例では、電気けいれん療法(ECT)がうつ病の症状を制御するために数週間にわたって最も一般的に用いられる。治療抵抗性の患者に対するこの伝統的な治療パラダイムは、大脳皮質の広範な領域を非特異的ではあるが非侵襲的に刺激するものである。患者は、軽く麻酔をかけられ、および/または鎮静されなければならず、しばしば重大な副作用(例えば、時間が経っても完全に改善しない逆行性健忘症)を経験する(Marangell et al.,2007;Dumitriu et al.,2008)。しかし、その固有の限界にもかかわらず、ECTは難治性MDD患者に対して、FDAが承認している他のどの治療法選択肢よりも多くの抗うつ薬的な効果をもたらしてきた。治療に伴う固有の合併症に加えて、このアプローチにはかなりの第三次医療資源を必要とするという問題があり、必要としている大規模な臨床集団に十分にスケールアップすることができない。
経頭蓋磁気刺激(TMS)は、Barker et al.(1985)によって導入された(Klein et al.,1999)。標的の皮質領域を非侵襲的に活性化することにより、TMSは、研究者が簡便かつ比較的安全な方法で脳機能を選択的に研究することを可能にする(Figiel et al.,1998;Klein et al.,1999)。過去数十年の間に、ECTよりも空間的に選択性が高く、非侵襲的であること、一般的に忍容性の高い副作用があることなどから、TMSは様々な神経疾患の治療ツールとして大きな関心を集めている(Figiel et al.,1998;Klein et al.,1999;Janicak et al.,2008)。その結果、TMSは現在、難治性MDDの治療法選択肢としてFDAに承認されている。
経頭蓋磁気刺激は、典型的には、関心のある皮質領域の上に配置された円形または8の字型コイルを通して電流を脈動させることによって投与される。結果として生じる配向磁場パルスは、大脳皮質の表層(最大深さ1cm、Dumitriu et al.,2008)内に電場を発生させ、十分な電場が発生するとニューロンを脱分極させる(Fitzgerald et al.,2002)。デバイスの大きさの制限により、この技術を完全に移植可能な閉ループ神経プロテーゼに使用することはできない。現在のTMSデバイスは大型であり、一般的には外来患者の処置でしかアクセスできない(Neuronetics社のNeuroStar(登録商標) TMS Therapyなど、2009)。TMSデバイスの大きさは、刺激される皮質領域の大きさに比例するが、コイルの大きさとより小さなデバイスで同じ磁場を発生させるのに必要な電流の大きさとの間のトレードオフによって制限されている(Cohen and Cuffin,1991)。その結果、TMSは、性能を犠牲にすることなくデバイスサイズを大幅に縮小するような根本的な設計変更を行わない限り、完全移植可能な神経プロテーゼへの使用には適さない。ここでもまた、TMSを使用するための高度なインフラストラクチャの必要性が、この技術を集団に合わせてスケールアップすることを制限している。
TMSには多くのサブタイプがあり、刺激パラメータや応用モードに応じて分類されている。2つの従来のTMSのサブタイプとしては、1Hzより大きい周波数を用いる刺激パラダイムを含む急速速度/反復性経頭蓋磁気刺激(rTMS)と、1Hzより小さい周波数を用いる刺激パラダイムを含む低周波/低速経頭蓋磁気刺激(sTMS)と、がある。TMSのサブタイプは、刺激パラメータ、コイルの形状や大きさ、刺激部位、刺激の方向によって大きく異なり、異なる皮質活性化特性を示し、相反する治療効果を報告している研究と関連している。しかし、脳血流のある研究では、rTMS後に前頭前野皮質および大脳辺縁系領域への血液供給量が有意に増加し、sTMS後には著しく減少することが示されていることから、rTMSはより多くの抗うつ効果をもたらすと考えられている(Speer et al.,2000)。このような効果の変動性は、治療中の神経病理の変動性に対する課題を反映している可能性が高い。また、この種の治療は開ループであり、バイオマーカや患者の症状に合わせて調整されたものではない。
脳深部刺激(DBS)は1954年に初めてうつ病の治療に用いられた(Poole,1954; Hardesty and Sackeim,2007)。しかし、DBSは1987年にBenabid et al.(1987)が片方の視床核腹側中間核を高周波刺激し、もう片方を除去することで、患者のパーキンソン病性振戦の緩和に成功したことで、研究の関心と勢いを増した。Benabid et al.の論文では、機能障害のある脳構造の高周波電気刺激が、脳の同じ部分を外科的に切除するのと同じくらい効果的であることが示され、切除手術に代わる、侵襲性が低く、侵襲性の高い治療法としてDBS療法を推進した(Benabid et al.,1987; Hardesty and Sackeim,2007)。
難治性の精神疾患の治療におけるDBSの威力は、ここ数十年の間にますます明らかになってきている。例えば、(パーキンソン病のために脳深部刺激装置を移植された)精神疾患が知られていない高齢の女性において、左黒質に高周波DBS療法を適用したところ、一時的に自殺的な抑うつ状態に陥り、刺激が止まると逆転した(電気刺激は、パーキンソン症状の緩和に最適な刺激部位より2ミリ下に誤って適用された)(Bejjani et al.,1999;Hardesty and Sackeim、2007)。しかし、小さな標的エラーが潜在的に危険な非線形副作用を誘発する可能性があるため、どのような治療法の治療効果も、その送達の特異性に大きく依存することにも注意が必要である。事例研究は、DBSの治療効果が部位依存性に加えて、用量依存性が大きいことを示している(Fontaine et al.,2004;Hardesty and Sackeim,2007)。現在までにDBSは臨床試験が行われているが、これまでのところ臨床的評価項目を達成することができなかった。これは、(うつ病症状が発生したときに治療ができなかった)治療の開ループの性質と、疾患の病理学的および治療に最適な標的部位に個人差があることが原因の一部であると考えられている。また、より侵襲性の高い治療法であるため、今後の考えられる治療法の候補数が制限される可能性がある。
[脳刺激の標的]
難治性MDD集団における治療効果を評価した神経刺激標的は、ほとんどない。一般的に、提案されている刺激標的は、大脳辺縁系の構造に関連しており、うつ病における神経機能障害の仮説、画像研究、他の障害を治療する刺激研究で観察された予期せぬ気分の改善、および所与の刺激技術でアクセス可能な領域から直接得られている。TMSの研究では、大型の刺激コイルでアクセスしやすく、また抗うつ効果が期待できることから、一般的には左および/または右背外側前頭前野皮質(DLPFC)を標的としている。低速のTMS(sTMS)は、右DLPFCに使用した場合にのみ抗うつ効果が得られている(Klein et al.,1999;Fitzgerald et al.,2006)が、反復的/急速なTMSは左DLPFCに使用した場合にのみ抗うつ効果が得られている(Speer et al.,2000;Avery et al.,2006;Fitzgerald et al.,2006)。驚くべきことではないが、DBSの研究では、深部脳構造を対象としており、例えば、膝下帯状領域(SCG)(Mayberg et al.,2000,2005;Lozano et al.,2008)、内包前脚腹側/腹側線条体(VC/VS)(Malone et al.,2009)、淡蒼球内節(globus pallidus internus,GPi)(Kosel et al.,2007)、および下視床脚(ITP)(Jimenez et al.,2005)などが挙げられる。
各刺激技術は、振幅、パルス持続時間、および刺激周波数の多様な範囲を持つ定電流または電圧ベースの単相または二相の波形を使用して、異なる刺激パラメータのセットを使用する(VNS、TMS、およびDBSに使用されてきた刺激パラメータの包括的なレビューについては、Albert et al.,2009を参照されたい)。それぞれの波形は、大脳辺縁系関連の神経経路および構造におけるより正常な行動に向けて、異常な活動を直接または間接的に変調することを期待して、標的構造を連続的または間欠的に(開ループ構成で)刺激する(例えば、VNS技術は、左頸部迷走神経を介して脳活動を間接的に変調するために、5分ごとに30秒間間欠的に刺激する、Marangell et al.,2007)。DBSの刺激パラメータは、移植後約2週間後に患者ごとに無線でプログラムされる。患者から報告された症状緩和および副作用を利用して、刺激パルスの持続時間および振幅を数週間から数ヶ月間(一定のパルス繰り返し周波数の下で)着実に増加させ、副作用を最小限に抑えながら最も大きな治療効果をもたらすパラメータの範囲を決定する(VNSでは単相の定電流刺激が一般的に使用され、DBSでは単相の定電圧刺激が一般的に使用される)(Hardesty and Sackeim,2007)。TMSデバイスは、処置を開始する前に、まず患者の運動閾値(すなわち、運動野に印加したときに運動活動電位を誘発する磁気パルス強度)を測定する(Marangell et al.,2007)。次に、観察された運動閾値の割合が、治療のために磁気パルスが適用されるベースライン強度として使用される(Albert et al.,2009)。
刺激プログラミング処置は、しばしば患者にとって不快なものであり、刺激トランスデューサの配置が不適切であったり、パラメータの選択が不適切であったり、および/または所与の刺激技術からの空間分解能が限られていたりすることから、意図しない神経刺激によって重篤な副作用が誘発されることがよくある。機能不全ニューロンまたはネットワークをより正確に標的にするために刺激伝達の特異性を高めることは、副作用のプロファイルを減少させることにつながるはずである。患者のゆらぎ(fluctuations)に対する臨床的な必要性に合わせて刺激をさらにタイミングよく行うことは、全体の有効性を高めることにもなる。
米国特許第8121694号明細書
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したがって、本願のシステムのいくつかの実施形態によれば、患者の気分障害を治療するためのシステムが提供される。システムは、1つ以上の移植可能デバイスであって、それぞれが、1つ以上の皮質領域の皮質信号を感知し、脳の1つ以上の領域を刺激するための1つ以上の電極を含む、1つ以上の移植可能デバイスを含む。システムは、さらに、感知した皮質信号を受信し処理し、1つ以上の電極を介して1つ以上の脳領域の刺激を制御するために、1つ以上の電極と通信している1つ以上のプロセッサ/コントローラを含む。システムは、さらに、患者によって操作可能な少なくとも1つの携帯型通信デバイスであって、患者の瞬間的な気分を表す生態学的気分評価(EMA)データを取得するための、およびデータを少なくとも1つのプロセッサ/コントローラおよび/または少なくとも1つのリモートプロセッサに通信するための前記少なくとも1つの携帯型通信デバイスで動作するアプリケーションソフトウェアを有する、少なくとも1つの携帯型通信デバイスを含む。データは、1つ以上のプロセッサ/コントローラ、および/または携帯型通信デバイスに含まれるプロセッサによって、および/または少なくとも1つのリモートプロセッサによって、気分障害を治療するように1つ以上の脳領域の刺激を調節および/または制御するために処理される。システムは、さらに、1つ以上の移植可能デバイスに電力を供給するために、1つ以上の移植可能デバイスに電気的に適切に接続された少なくとも1つの電源を含む。
いくつかの実施形態では、1つ以上の移植可能デバイスは、1つ以上の頭蓋内移植可能デバイス、1つ以上の頭蓋冠内移植可能デバイス、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
いくつかの実施形態では、1つ以上の電極は、1つ以上の頭蓋冠内電極、1つ以上の頭蓋冠内電極アレイ、1つ以上の頭蓋内電極、1つ以上の頭蓋内電極アレイ、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
いくつかの実施形態では、1つ以上の移植可能デバイスの少なくとも1つは、患者の頭蓋冠骨の内板を完全に貫通することなく、患者の頭蓋冠骨の外板と内板との間に配置された、頭蓋冠内電極を有する頭蓋冠内デバイスである。
いくつかの実施形態では、頭蓋冠内移植の電極の少なくとも一部は、頭蓋冠骨の内板の外面に接している。
いくつかの実施形態では、システムは、周波数干渉刺激法を使用して1つ以上の脳領域を刺激するように構成された1つ以上の移植可能な周波数干渉(FI)デバイスを含む。
いくつかの実施形態では、移植可能なFIデバイスによって刺激される1つ以上の脳領域は、少なくとも1つの皮質領域、少なくとも1つの深部脳構造、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
いくつかの実施形態では、刺激される少なくとも1つの皮質領域は、右背外側前頭前野皮質(RDLPFC)、左背外側前頭前野皮質(LDLPFC)、帯状皮質の1つ以上の領域、前頭前野皮質(PFC)の1つ以上の領域、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
いくつかの実施形態では、刺激される少なくとも1つの深部脳構造は、腹側線条体(VS)、大脳辺縁系の1つ以上の部分、膝下帯状領域(BA25)、内包前脚腹側(VC)、側坐核、外側手綱、腹側尾状核、下視床脚、島皮質、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
いくつかの実施形態では、1つ以上の皮質領域は、右背外側前頭前野皮質(RDLPFC)、左背外側前頭前野皮質(LDLPFC)、前頭前野皮質(PFC)の領域、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
いくつかの実施形態では、システムは、患者の気分を示す1つ以上の追加のバイオマーカを感知するための1つ以上のセンサユニットをさらに含む。
いくつかの実施形態では、1つ以上のセンサユニットは、心拍センサ、発汗センサ、瞳孔測定センサ、ARヘッドセット、アイトラッキングセンサ、マイク、血中セロトニンセンサ、血中ドーパミンセンサ、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
いくつかの実施形態では、1つ以上のバイオマーカは、心拍数、心拍変動、血圧、発汗率の変化、否定的な言葉の提示に応答する瞳孔サイズの変化、眼球運動パラメータ、患者の発話の母音空間での変化、血中セロトニンレベルの変化、血中ドーパミンレベルの変化、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
いくつかの実施形態では、気分障害は、大うつ病性障害(MDD)、心的外傷後ストレス障害(PTSD)、不安、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
いくつかの実施形態では、システムは、さらに、1つ以上のプロセッサ/コントローラおよび/または1つ以上の通信デバイスによって制御可能な1つ以上のエフェクタデバイスを含み、1つ以上のエフェクタデバイスは、患者の脳にセロトニンを送達するためのデバイス、患者の脳にドーパミンを送達するためのデバイス、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
いくつかの実施形態では、1つ以上のプロセッサ/コントローラは、気分指数(MX)の値を決定するために皮質信号およびEMAデータを処理し、MXの値が閾値レベルより小さいまたは閾値レベルに等しい場合に、1つ以上の脳領域に刺激を送達するようにプログラムされている。
いくつかの実施形態では、MXの値は、皮質信号とEMAデータとから、または皮質信号とEMAデータと1つ以上のセンサによって感知された1つ以上の患者のバイオマーカデータとから計算される。
いくつかの実施形態では、1つ以上のプロセッサ/コントローラは、気分指数(MX)の値を決定するために皮質信号およびEMAデータを処理し、MXの値に応じて1つ以上の脳領域に段階的な刺激を送達するようにプログラムされている。
いくつかの実施形態では、気分指数(MX)は、皮質信号およびEMAデータから計算された変調指数(MI)を備える。
本願のシステムのいくつかの実施形態によれば、患者の気分障害を治療するためのシステムも提供される。システムは、1つ以上の頭蓋冠内インプラントであって、それぞれが、電源と、皮質信号を感知し、脳の1つ以上の領域を刺激するための複数の頭蓋冠内電極と、感知した皮質信号および/またはデータを通信するための、並びにデータおよび/または制御信号を無線で受信するためのテレメトリモジュールと、を含む、1つ以上の頭蓋冠内インプラントを含む。複数の頭蓋冠内電極の少なくとも一部は、患者の頭蓋冠骨の内板を完全に貫通することなく、患者の頭蓋冠骨の外板と内板との間に配置されている。1つ以上の移植可能な頭蓋冠内インプラントは、それぞれ、感知された皮質信号を処理し、脳の1つ以上の領域の刺激を制御するために、複数の頭蓋冠内電極と通信する1つ以上のプロセッサ/コントローラを含む。システムは、さらに、患者によって操作可能な少なくとも1つの携帯型通信デバイスであって、患者の瞬間的な気分を表す生態学的気分評価(EMA)データを取得するための、およびEMAデータを1つ以上の移植可能な頭蓋冠内インプラントの1つ以上のプロセッサ/コントローラに、および/または少なくとも1つのリモートプロセッサに通信するための、携帯型通信デバイスで動作するアプリケーションソフトウェアを有する、少なくとも1つの携帯型通信デバイスを含む。データは、気分障害を治療するために脳の1つ以上の領域の刺激を調節および/または制御するために、1つ以上の頭蓋冠内インプラントの1つ以上のプロセッサ/コントローラによって、および/または携帯型通信デバイスに含まれるプロセッサによって、および/または少なくとも1つのリモートプロセッサによって処理される。
本願のシステムのいくつかの実施形態では、少なくとも1つの携帯型通信デバイスは、少なくとも1つの携帯型通信デバイスは、携帯電話、スマートフォン、ラップトップ、携帯型コンピュータ、タブレット、ノートブック、ファブレット、拡張現実(AR)ヘッドセット、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
本願の方法のいくつかの実施形態によれば、患者の気分障害を治療するための方法も提供される。方法は、患者の1つ以上の皮質領域から感知された皮質信号を受信するステップと、患者によって操作される少なくとも1つの携帯型通信デバイスから患者の生態学的気分評価(EMA)データを自動的に受信するステップであって、少なくとも1つの通信デバイスは、少なくとも1つの通信デバイスで動作し、EMAデータをローカルで計算するために、および/またはリモートコンピュータから計算されたEMAデータを受信するために、患者による少なくとも1つの携帯型通信デバイスの使用のパラメータを表すデータを自動的に取得するためのアプリケーションソフトウェアを有する、受信するステップと、患者が治療的刺激を必要とする抑うつ状態にある指示を検出するために、皮質信号およびEMAデータを処理するステップと、指示を検出したことに応じて患者の少なくとも1つの脳領域を刺激するステップと、を備える。
方法のいくつかの実施形態によれば、受信するステップの信号は、頭蓋外インプラント、頭蓋内インプラント、頭蓋冠内インプラント、およびそれらの任意の組み合わせから選択される1つ以上のインプラントによって記録される。
方法のいくつかの実施形態によれば、受信するステップの信号は、1つ以上の頭蓋冠内電極によって記録される。頭蓋冠内電極の少なくとも一部は、患者の頭蓋冠骨の内板を完全に貫通することなく、患者の頭蓋冠骨の外板と内板との間に配置されている。
方法のいくつかの実施形態によれば、1つ以上の頭蓋冠内電極は、頭蓋冠骨の内板の外面に接してまたは隣り合って配置されている。
方法のいくつかの実施形態によれば、EMAデータは、患者による少なくとも1つの携帯型通信デバイスの使用の複数のパラメータを表す自動的に取得されたデータと、患者に自動的に提示された気分評価の要求に応じて患者によって提供された主観的気分評価を表すデータと、から選択されたデータを含む。
方法のいくつかの実施形態によれば、EMAデータは、患者によるアプリケーションの使用を表すデータ、患者による通話回数を表すデータ、患者の動きによる加速度データ、通信データ、周囲光データ、周囲音データ、患者の位置データ、患者の通話ログ、患者の音声コンテンツ、患者のテキストコンテンツ、患者の睡眠データ、患者のソーシャルネットワークデータ、およびそれらの任意の組み合わせから選択されたデータを含む。
方法のいくつかの実施形態によれば、自動的に受信するステップは、1つ以上のセンサからバイオマーカデータを自動的に受信するステップも含み、処理するステップは、患者が治療的刺激を必要とする抑うつ状態にある指示を検出するために、皮質信号、EMAデータ、およびバイオマーカデータを処理することを含む。
方法のいくつかの実施形態によれば、処理するステップは、変調指数パラメータ(MI)の値を計算するために、および/または患者の気分指数(MX)を計算するために、感知された皮質信号およびEMAデータを処理することを含む。
方法のいくつかの実施形態によれば、処理するステップは、変調指数パラメータ(MI)の値を計算するために、および/または患者の気分指数(MX)を計算するために、感知された皮質信号とEMAデータと1つ以上のセンサから取得されたバイオマーカデータとを処理することを含む。
方法のいくつかの実施形態によれば、処理するステップは、1つ以上のスペクトルバンドのスペクトルパワーを計算し、変調指数(MI)を計算し、および/または気分指数(MX)を計算することによって、感知された皮質信号を処理することを備える。
方法のいくつかの実施形態によれば、処理するステップは、MIの値を閾値と比較することを含み、刺激するステップは、MIの値が閾値と等しいまたは閾値より大きい場合、1つ以上の脳領域を刺激することを備える。
方法のいくつかの実施形態によれば、処理するステップは、気分指数(MX)の値を閾値と比較することを含み、刺激するステップは、MXの値が閾値と等しいまたは閾値より大きい場合、1つ以上の脳領域を刺激することを備える。
方法のいくつかの実施形態によれば、刺激するステップは、1つ以上の皮質脳領域、1つ以上の深部脳構造、およびそれらの任意の組み合わせから選択される1つ以上の脳領域を刺激することを含む。
方法のいくつかの実施形態によれば、刺激するステップの1つ以上の皮質脳領域は、右DLPFC、左DLPFC、PFCの領域、膝下帯状皮質、およびそれらの任意の組み合わせから選択され、刺激するステップの1つ以上の深部脳構造は、腹側線条体(VS)、大脳辺縁系の1つ以上の部分、膝下帯状領域(BA25)、内包前脚腹側(VC)、側坐核、外側手綱、腹側尾状核、下視床脚、島皮質、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
方法のいくつかの実施形態によれば、受信するステップは、右DLPFC、左DLPFC、PFCの領域およびそれらの組み合わせから選択される1つ以上の皮質領域から皮質信号を受信することを備える。
方法のいくつかの実施形態によれば、気分障害は、大うつ病性障害(MDD)、心的外傷後ストレス障害(PTSD)、不安、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
本発明の方法のいくつかの実施形態によれば、患者の気分障害を治療するための方法も提供される。方法は、1つ以上の頭蓋冠内電極を備える頭蓋冠内インプラントを用いて患者の皮質領域から記録された電気信号を受信するステップであって、頭蓋冠内電極の少なくとも一部は、頭蓋冠骨の内板を完全に貫通することなく、患者の頭蓋冠骨の外板と内板との間に配置されている、受信するステップと、患者のための刺激パラダイムを決定するために信号を処理するステップと、決定された刺激パラダイムに応じて患者の少なくとも脳領域に刺激を与えるステップと、を含む。
方法のいくつかの実施形態では、方法は、さらに、患者によって操作される少なくとも1つの携帯型通信デバイスから患者の瞬間的な気分評価データを自動的に受信するステップを含み、少なくとも1つの通信デバイスは、少なくとも1つの通信デバイスに、患者による少なくとも1つの通信デバイスの使用のパラメータを表すデータを患者の介入なしに自動的に処理して瞬間的な気分評価を計算するように動作するアプリケーションソフトウェアを有し、処理するステップは、瞬間的な気分評価および電気信号を処理して患者のための刺激パラダイムを決定することを含む。
方法のいくつかの実施形態では、方法は、さらに、患者の主観的気分評価を表す任意の患者の入力を受信するために、少なくとも1つの携帯型通信デバイスを介して患者と対話するステップを含み、処理するステップは、患者の主観的気分評価および電気信号を処理して、患者のための刺激パラダイムを決定および/または修正することを含む。
方法のいくつかの実施形態では、方法は、さらに、患者の主観的気分評価を表す患者の任意の入力を受信するために、少なくとも1つの携帯型通信デバイスを介して患者と対話するステップを含み、処理するステップは、患者のための刺激パラダイムを決定および/または修正するために患者の主観的気分評価、EMAデータ、および電気信号を処理することを含む。
方法のいくつかの実施形態では、方法は、さらに、患者の瞬間的な気分を表す生態学的気分評価(EMA)データを少なくとも1つの携帯型通信デバイスから受信するステップを含み、処理するステップは、患者のための刺激パラダイムを決定するために信号およびEMAデータを処理することを含む。
方法のいくつかの実施形態では、受信するステップは、さらに、システムからの問い合わせに応じて患者から任意の気分評価データを受信することを含み、処理するステップは、患者のための刺激パラダイムを決定するために信号とEMAデータと患者の任意の気分評価データとを処理することを含む。
最後に、本願の方法のいくつかの実施形態では、少なくとも1つの携帯型通信デバイスは、携帯電話、スマートフォン、ラップトップ、携帯型コンピュータ、タブレット、ノートブック、ファブレット、拡張現実(AR)ヘッドセット、およびそれらの任意の組み合わせから選択される。
本発明のいくつかの実施形態を、例示のためだけに、添付の図面を参照して本明細書に記載するが、その中では、同様の構成要素は、同様の参照番号によって示されている。ここで図面を詳細に参照すると、示された特定の態様は、例示のためのものであり、本発明の実施形態の例示的な議論のためのものであることが強調される。この点で、図面を参照すると、本発明の実施形態がどのように実施され得るかが、当業者には明らかであろう。
図1は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、気分障害を治療するためのシステムの構成要素を示す概略ブロック図である。 図2は、本願の気分障害を治療するためのシステムのいくつかの実施形態で使用可能な、頭蓋冠内インプラントを例示する概略的な等角図である。 図3は、図2の頭蓋冠内インプラントの概略底面図である。 図4は、図2の頭蓋冠内インプラントの概略側面図である。 図5は、線V−Vに沿って取られた図2の頭蓋冠内インプラントの概略断面図であり、また、患者の頭蓋骨内の移植後の頭蓋冠骨に対するインプラントの位置を示している。 図6は、本願の方法のいくつかの実施形態による、患者の感覚された皮質活動および瞬間的な生態学的気分評価データを処理することによって脳刺激療法を提供するための方法のステップを示す概略フローチャートである。 図7は、本願の方法のいくつかの実施形態による、記録された皮質信号の1つ以上のパラメータと患者の瞬間的な生態学的気分評価(EMA)データから計算された気分指数との間の相関関係を評価するための方法のステップを示す概略フローチャートである。 図8Aは、本願の方法のいくつかの実施形態による、患者の感覚的皮質活動および瞬間的な生態学的気分評価データを処理することによって、患者に段階的脳刺激療法を提供するための方法のステップを例示する概略フローチャートである。 図8Bは、本願の方法のいくつかの実施形態による、患者の感覚的皮質活動および瞬間的な生態学的気分評価データを処理することによって、患者に段階的脳刺激療法を提供するための方法のステップを例示する概略フローチャートである。 図9Aは、本願の方法のいくつかの実施形態による、感知された皮質信号のガンマ周波数帯域(Pγ)でのパワーの値および患者の瞬間的な生態学的気分評価(EMA)データを使用して、患者に脳刺激療法を提供するための方法のステップを例示する概略フローチャートである。 図9Bは、本願の方法のいくつかの実施形態による、感知された皮質信号のガンマ周波数帯域(Pγ)でのパワーの値および患者の瞬間的な生態学的気分評価(EMA)データを使用して、患者に脳刺激療法を提供するための方法のステップを例示する概略フローチャートである。 図10は、本願の方法のいくつかの実施形態による、皮質信号、EMAデータ、および追加のセンサデータを処理することに応じて患者に段階的刺激療法を提供するための方法の概略フローチャートである。 図11は、本願の方法のいくつかの実施形態による、皮質信号、EMAデータ、および追加のセンサデータを処理することに応じて患者に間欠的な脳刺激療法を提供するための方法の概略フローチャートである。 図12は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、皮質および/または深部脳構造の経頭蓋周波数干渉刺激を実行するための頭皮電極と、1つ以上の皮質領域を感知および/または刺激するための頭蓋内移植ECOG電極アレイとを含む、気分障害を治療するためのシステムを説明するための概略ブロック図である。 図13は、図12のシステムの頭蓋内部分の機能的構成要素を示す概略ブロック図である。 図14は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、1つ以上の皮質領域で検知を実行し、1つ以上の深部脳構造の経頭蓋周波数干渉刺激(TFIS)および/または1つ以上の皮質領域の直接刺激を実行するための複数の頭蓋内ECOGアレイを有する気分障害を治療するためのシステムを説明するための概略図である。 図15は、図14のシステムに含まれる機能的構成要素を示す概略的な機能ブロック図である。 図16は、本願の頭蓋冠骨内インプラントのいくつかの実施形態による、頭蓋骨の頭蓋冠骨に移植された患者の脳に深部脳刺激を送達するのに適した頭蓋冠内インプラントを有するヒトの頭蓋骨を例示する概略等角図である。 図17は、図16に示された頭蓋骨の上面図である。
本願に開示されたシステムおよび方法は、感知された患者の皮質信号に基づいて、および瞬間的な生態学的評価および/または他の患者の生理学的バイオマーカの形での1つ以上の関連する患者入力に基づいて、脳電気刺激療法を提供する複数の閉ループ皮質ニューロモデュレーションシステムを開示する。患者およびセンサ情報付き閉ループ皮質」(PASICCC)神経調節システムは、皮質信号または生理学的バイオマーカの先験的な識別情報を必要とせず、むしろ患者による継続的な利用を伴ってバイオマーカを学習する。システムは、大脳皮質の焦点領域を刺激して記録することができる頭蓋冠内インプラントと、患者と係合して、患者の気分評価、例えば瞬間的な生態学的気分評価(EMA)などの患者の気分評価をシステムに能動的または受動的に提供することができる携帯型通信デバイス(例えば、携帯電話、スマートフォン、ラップトップ、タブレット、ノートブック、ファブレット、通信機能を有する拡張現実(AR)ヘッドセットなど)とを含んでもよい。システムはまた、治療を必要とする気分状態の検出を可能にし、選択された刺激レジームを提供することを可能にするために、感知された皮質電気活動を気分評価と相関させるためのソフトウェアを含む。システムは、適切なトレーニングおよび/またはテスト期間を使用して個々の患者に適応してもよく、うつ病患者の気分関連症状に対処するために最適化された皮質刺激のために使用され得る患者固有の皮質バイオマーカを提供してもよい。
別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および/または科学用語は、本発明が関連する技術分野の通常の当業者が一般的に理解するのと同じ意味を有する。本明細書に記載されたものと類似または同等の方法および材料が、本発明の実施形態の実施または試験において使用され得るが、例示的な方法および/または材料が以下に記載されている。矛盾する場合は、定義を含む特許明細書が支配する。さらに、材料、方法、および例示は例示的なものに過ぎず、必ずしも限定的であることを意図していない。
本発明の実施形態の方法および/またはシステムの実施は、選択されたタスクを手動で、自動的に、またはそれらの組み合わせで実行または完了することを含み得る。さらに、本発明の方法および/またはシステムの実施形態の実際の計装および装置によれば、いくつかの選択されたタスクは、オペレーティングシステムを使用して、ハードウェアによって、ソフトウェアによって、またはファームウェアによって、またはそれらの組み合わせによって実施され得る。
例えば、本発明の実施形態に従って選択されたタスクを実行するためのハードウェアは、チップまたは回路として実装され得る。ソフトウェアとして、本発明の例示的な実施形態に従った選択されたタスクは、任意の適切なオペレーティングシステムを使用してコンピュータによって実行される複数のソフトウェア命令として実装され得る。本発明の例示的な実施形態では、本明細書に記載の方法および/またはシステムの例示的な実施形態に従った1つ以上のタスクは、複数の命令を実行するためのコンピューティングプラットフォームなどのデータプロセッサによって実行される。任意選択で、データプロセッサは、命令および/またはデータを格納するための揮発性メモリ、および/または命令および/またはデータを格納するための不揮発性ストレージ、例えば磁気ハードディスクおよび/またはリムーバブルメディアを含む。任意選択で、ネットワーク接続も提供される。ディスプレイ並びに/或いはキーボードまたはマウスなどのユーザ入力デバイスも任意選択で提供される。
本発明の少なくとも1つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明および/または図面および/または実施例に示された構成要素および/または方法の詳細な構成および/または配置に必ずしも限定されるものではないことが理解されるであろう。本発明は、他の実施形態が可能であり、または様々な方法で実施または実行されることが可能である。本出願から開始する特許の存続期間中に、多くの関連するタイプの電極および電極アレイが開発されることが予想され、「電極」および「電極アレイ」という用語の範囲は、そのようなすべての新技術を先験的に含むことを意図している。本明細書で使用されるように、用語「約」は1±0%を指す。「例示的」という言葉は、本明細書では、「例、事例、または例示としての役目を果たす」という意味で使用される。「例示的」として記載された任意の実施形態は、必ずしも、他の実施形態よりも好ましいまたは有利であると解釈されるものではなく、および/または他の実施形態からの特徴の組み込みを排除するものではない。
「任意選択で」という言葉は、本明細書では、「いくつかの実施形態では提供され、他の実施形態では提供されない」という意味で使用される。本発明の任意の特定の実施形態は、そのような特徴が矛盾しない限り、複数の「任意選択の」特徴を含んでもよい。
用語「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、およびそれらの活用語は、「含んでいるが、それに限定されない」ことを意味する。
用語「からなる」は、「それを含み、かつ、それに限定されない」ことを意味する。
用語「から本質的になる」は、組成物、方法または構造物が、追加の成分、ステップ、および/または部分が、特許請求された組成物、方法、または構造物の基本的かつ新規な特性を実質的に変化させない場合にのみ、追加の成分、ステップ、および/または部分を含んでもよいことを意味する。
本明細書で使用されるように、単数形の「a」、「an」、および「the」は、文脈が明確に別段の指示をしない限り、複数の参照を含む。例えば、用語「a compound」または「at least one compound」は、それらの混合物を含む複数の化合物を含むことができる。
本願を通して、本発明の様々な実施形態が範囲形式で示されてもよい。範囲形式での記述は、単に利便性と簡潔さのためのものであり、本発明の範囲に対する柔軟性のない制限として解釈されるべきではないことが理解されるべきである。したがって、範囲の記述は、その範囲内の個々の数値だけでなく、可能なすべての部分範囲を具体的に開示したものとみなされるべきである。例えば、1から6までのような範囲の記述は、1から3まで、1から4まで、1から5まで、2から4まで、2から6まで、3から6までなどのような部分範囲と、その範囲内の個々の数値、例えば、1、2、3、4、5、および6などが具体的に開示されていると考えるべきである。これは範囲の広さに関係なく適用される。
本明細書で数値範囲が示されている場合はいつでも、それは示された範囲内で引用された任意の数値(小数または整数)を含むことを意味している。本明細書では、第1の指示番号と第2の指示番号との「間に亘る範囲/間の範囲」、および第1の指示番号「から」第2の指示番号「まで」「に亘る範囲/からの範囲」という表現が互換的に使用されており、第1および第2の指示番号、ならびにその間のすべての小数および整数を含むことを意味している。
[うつ病のための患者とセンサによる情報提供型閉ループ皮質(PASICC)神経変調システム]
PASICC神経変調システムは、うつ病のための個別化された治療法を作成するために、既存の多くの障壁を克服する。システムは、1)大脳皮質の焦点領域から刺激して記録することができる頭蓋冠内インプラント(または、いくつかの実施形態では、他のタイプの頭蓋または頭蓋内インプラント)と、2)例えば、瞬間的な生態学的評価(EMA)などの気分評価を能動的または受動的に(そして目立たないように)提供するために患者と関わりあうことができる、例えば、携帯型コンピュータまたは他のポータブル、および/またはウェアラブル通信デバイス(例えば、通信機能を有する携帯電話またはスマートフォンまたはARヘッドセット)などの携帯型通信デバイスと、3)刺激レジームを通知するために皮質病理を気分評価と統合して接続するための1つ以上のソフトウェアプログラムまたはアプリケーションと、を含みうる。
神経変調のための皮質信号と瞬間的な生態学的評価の形式での関連する患者の入力の両方を組み込んだ複数の閉ループ皮質神経変調デバイスを作成することにより、システムは、患者の気分改善を助けるために最適な刺激レジームを定義する患者固有のバイオマーカを導出することができる。このシステムは、皮質シグナルや生理学的バイオマーカを先験的に特定する必要はなく、患者が継続的に利用しながらバイオマーカを学習する。システムが動作すると、うつ病患者の気分に関連する症状に対処するための最適な皮質刺激を知らせることができる患者固有の皮質バイオマーカを「学習」することができる。
システムは、以下の方法で動作してもよい。頭蓋冠内インプラントは、うつ病の治療のために刺激されることが有用であろう皮質部位を覆う患者の頭蓋骨内に移植されてもよい。移植の位置は、解剖学的イメージングおよび機能的イメージングの両方によって定義されてもよい。本システムのいくつかの実施形態に従って、背外側前頭前野皮質(DLPFC)は解剖学的に選択され得る。より特定の領域は、機能的MRIを用いて選択され得る。局在化を助けることができる機能的MRIは多数のタイプがある。具体的には、重要なネットワーク(例えば、背側注意ネットワークやデフォルトモードネットワーク)を特定するための安静時機能的MRI、関連領域の皮質活性化を誘発するためのタスクベースのfMRI、刺激領域に隣接する重要な白質路を特定するための拡散テンソル画像法(DTI)などが考えられる。頭蓋冠内インプラントは、ユーザの携帯電話に無線で接続されてもよい。携帯電話または他の通信デバイスは、ソフトウェアアプリケーションを含むであろうし、患者の脳から記録されたデータ、および患者によって提供された刺激パラメータおよび/または気分に関連するデータ、および/または患者に取り付けられたセンサによって測定されたデータ、または携帯電話上で発見されたセンサによって測定されたデータを処理するための計算能力またはそのような計算能力へのアクセス(携帯電話上のプロセッサを使用することによって、または必要な処理能力を有するコンピュータ(例えば、インターネットを介して携帯電話によって無線でアクセス可能なクラウドサーバ)と通信することによって)を有していてもよい。
ここで、本願のシステムのいくつかの実施形態に従って、気分障害を治療するためのシステムの構成要素を示す概略ブロック図である図1を参照する。
システム10は、頭蓋冠内インプラント20と、1つ以上の通信デバイス100と、患者の身体1に移植された、または患者の身体1に取り付けられた、または患者の身体1に装着された(任意選択の)1つ以上の補助センサ15と、を含んでもよい。システム10はまた、(任意選択で)1つ以上のエフェクタデバイス13を含んでもよい。エフェクタデバイス13は、その動作を制御するための制御信号を受信するために、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に接続されていてもよい。例えば、エフェクタデバイス13は、1つ以上の治療デバイス(例えば、例えば、神経伝達物質または神経修飾物質送達デバイスであって、神経伝達物質および/または神経修飾物質を患者の脳に送達することが可能なもの、例えば、セロトニン送達デバイスおよび/または以下でより詳細に開示されるドーパミン送達デバイスのようなもの)を含んでもよい。
1つ以上の通信ユニット100は、通信能力を有する1つ以上のデバイスを含んでもよく、また、いくつかの処理能力を有してもよい。例えば、図1の通信ユニット100は、携帯電話70および/またはラップトップ9およびARヘッドセット11を含んでもよい。通信ユニットの他の選択肢は、インプラント20のテレメトリモジュール133と、および/または互いに、および/またはクラウド上のサーバと無線で通信することを可能にする通信能力を有するタブレットおよび/またはファブレットおよび/またはノートブックを含んでもよい。
インプラント20は、好適には1つ以上のメモリユニット18に接続された1つ以上のプロセッサ/コントローラユニット14を含んでもよい。メモリユニット18は、当該技術分野で知られている任意の適切なタイプのメモリであってもよい。非限定的に、システム10において使用可能な例示的なメモリおよび/またはデータストレージデバイスは、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、電気的にプログラム可能な読み出し専用メモリ(EPROM)、消去可能な電気的にプログラム可能な読み出し専用メモリ(EEPROM)、フラッシュメモリデバイス、光メモリ、および/またはストレージデバイス、または当技術分野で知られている任意の他のタイプのメモリ、およびそれらの任意の組み合わせである、1つ以上のデバイスを含んでもよい。メモリユニット18は、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に統合された1つ以上のメモリユニットであってもよいことに留意されたい。
1つ以上のプロセッサ/コントローラ14は、例えば、CPU、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、グラフィック処理ユニット(GPU)、光プロセッサ、量子コンピューティングデバイス、およびそれらの任意の組み合わせなど、当技術分野で知られている任意のタイプの1つ以上のプロセッサまたは1つ以上のコントローラであってもよい。
インプラント20はまた、1つ以上の電極ユニット120を含んでもよい。1つ以上の電極ユニット120は、患者の脳8の1つ以上の領域の電気的活動を感知し、患者の脳8の1つ以上の領域を刺激するための任意の適切なタイプの電極であってもよい。脳8の1つ以上の領域を刺激するために、1つ以上の電極ユニットに含まれる電極に電気刺激を送達するために、インプラント20に含まれる刺激生成ユニット170に好適に結合されていてもよい。刺激生成ユニット170は、それから制御信号を受信するための1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に好適に接続されている。1つ以上のプロセッサ/コントローラ14は、刺激生成ユニット170の動作を制御してもよい。1つ以上の電極ユニット120内の電極の一部または全部は、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に好適に接続されてもよい(任意選択の)信号調節モジュール155に好適に電気的に接続されてもよい。信号調節モジュール155は、脳8の領域の1つ以上の電極ユニットによって感知された信号をフィルタリングおよび/または増幅および/または多重化および/またはデジタル化するために必要とされ得るすべての電子/電気回路(例えば、フィルタ回路、帯域制限回路、多重化回路、およびアナログからデジタルへの変換回路、クロックまたは他の必要な電子回路など)を含んでもよい。あるいは、そのような回路またはその一部は、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に含まれていてもよい。
インプラント20はまた、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に好適に接続されたテレメトリモジュール133を含んでもよい。テレメトリモジュールは、データおよび/または制御信号またはコマンド信号を1つ以上の通信ユニット100に無線で通信し、1つ以上の通信ユニット100からデータおよび/または制御信号を受信することができる任意の適切なモジュールであってもよい。テレメトリモジュール133は、1つ以上の通信ユニット100と通信するために、任意の適切なタイプの通信プロトコルおよび周波数帯域を使用してもよい。例えば、テレメトリモジュールは、携帯電話70と通信するために、RF信号およびセルラー通信プロトコルを使用してもよい。代替的または追加で、テレメトリモジュール133は、携帯電話70および/またはラップトップ9および/またはARヘッドセット11と通信するために、WiFiプロトコルおよび/またはBluetoooth(登録商標)プロトコルを使用してもよい。
好ましくは、ラップトップ9(システム10にラップトップが含まれている場合)は、WiFiおよびインターネットを介してクラウド31に無線で(または有線で)接続されていてもよい。好ましくは、携帯電話70はまた、(WiFiおよび/またはセルラーデータネットワーキングを介して)クラウド31に無線で接続されてもよく、ARヘッドセット11は、任意の適切な通信プロトコルおよび方法を用いて、携帯電話70および/またはラップトップ9および/またはクラウド31に無線で接続されてもよい。そのような無線通信手段は、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14が、例えば、リモートコンピュータ、(クラウド31上の)サーバ、携帯電話(例えば、携帯電話70)、ARヘッドセット(例えば、ARヘッドセット11)、またはクラウド31を介して到達可能な任意の他のタイプのコンピュータなどの外部デバイスと無線通信することを可能にしてもよい。これは、インプラント20の1つ以上のプロセッサ/コントローラ14の処理能力が制限されている場合に有用であり、これにより、プロセッサ/コントローラから他の処理デバイス、例えば1つ以上のリモートコンピュータ、リモートサーバ、コンピュータクラスタ、または任意の他の適切なコンピューティングデバイスへの計算負荷の一部または全部のオフロードを可能にすることができ、記録/感知されたデータを処理するためのクラウドコンピューティング、または並列コンピューティングの使用を可能にすることができ、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14の計算負荷を低減することができる。そのようなオフロードされた計算の結果は、その後、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に(好ましくは無線で)返されるか、または通信され、以下に開示されるように、適切な脳構造の感知および/または刺激の制御を実行するために使用されてもよい。
また、インプラント20は、インプラント20の構成要素に電力を供給するための電源35を含んでもよい。電源35は、適切な化学電池、再充電可能な化学電池、燃料電池、スーパーキャパシタ、または他の任意のタイプの適切な電源といった、任意の適切なタイプの電源であってもよい。しかし、好ましくは、電源3は、パワーハーベスタであってもよい。例えば、図1に図示された電源35の具体例は、患者の身体8にインプラント20と共に移植されてもよい移植可能な誘導コイル16を有するパワーハーベスティングデバイスとして実施される。誘導コイル16は、外部交流(AC)源27に接続された外部誘導コイル19によって励起されてもよい。特に、インプラント20内に含まれる電源35の一部は、誘導コイル16に誘導された交流を直流(DC)に整流するための適切な電子/電気回路(図示を明確にするために詳細には示されていない)と、例えば適切なスーパーキャパシタおよび/または再度充電可能な電気化学セルといった電荷蓄積ユニット(詳細には示されていない)とを含んでいてもよい。
図示を明確にするために、電源35をインプラント20の他の構成要素に接続するリード線またはワイヤは、詳細には図示されていないことに留意されたい。
システム10の1つ以上の補助センサ15は、患者の身体1の1つ以上の特性を感知するための1つ以上のセンサであってもよい。例えば、1つ以上の補助センサ15は、温度センサ、発汗センサ、心拍センサ、アイトラッキングセンサ、瞳孔サイズセンサ、血圧センサ、加速度センサ、化学センサ、または当技術分野で知られている任意の他のタイプのセンサのうちの1つ以上を含んでもよい。センサは、患者の身体1に移植されてもよく、および/または患者の身体1に取り付けられてもよく、および/または患者によって着用されてもよく、または患者によって着用される衣服に取り付けられてもよい。代替的または追加で、センサの一部は、1つ以上の通信ユニット100のうちの1つに含まれていてもよいし、または1つ以上の通信ユニット100内に統合されていてもよい。例えば、現代のスマートフォンは、患者の心拍数および瞳孔サイズを決定するために容易に使用されうる、心拍数測定アプリケーションや瞳孔サイズ測定アプリケーションを含みうる。
システムのいくつかの実施形態に従って、センサのいくつかは、ARヘッドセット(例えば、ARヘッドセット11に含まれる)に含まれてもよく、アイトラッキングセンサ、瞳孔サイズセンサ、加速度センサ、動きセンサ、マイク、発汗センサ、心拍センサ、またはARヘッドセットに統合されてもよい任意の他のタイプの適切なセンサを含んでもよい。これは、システムをよりコンパクトにするという利点がありうる。システムのいくつかの実施形態では、ARヘッドセットは、携帯電話70のすべての機能および機能に加えて、ラップトップ9の計算機能を統合して、携帯電話70およびラップトップ9を冗長化してもよい。
ARヘッドセットは、徐々に、より面倒でなく、より軽量で、より強力な計算能力を有するようになってきているので、本願で開示されるシステムのいくつかの実施形態は、1つのARヘッドセット11と、1つ以上のインプラント(例えば、以下で詳細に説明するインプラント200またはインプラント180)と、を含むことができる。ARヘッドセット11は、クラウド31と通信可能であってもよく、1つ以上のインプラントからのデータ、(EMAデータ、センサデータ、および他のすべてのタイプのデータを含む)通信されたデータをクラウド31上のリモートコンピュータ/サーバとの間でオフロードするために使用されてもよく、また、データの一部を処理して、インプラントの刺激および感知を制御するためのコマンド信号をインプラントに送信するために使用されてもよい。そのような実施形態では、電源は、ARヘッドセット11に含まれる電源であってもよく、ARヘッドセット11からインプラントに接続された適切な電力リードを介してインプラントに電力を供給する。
(例えば、補助センサ15といった)センサが携帯電話70またはラップトップ9に含まれていない場合、センサは、ユーザの身体に移植されたセンサ、またはユーザの身体に取り付けられたセンサ、または装着されたセンサであってもよく、その場合、そのようなセンサは、センサによって感知された信号および/またはデータを、格納および/または処理のために、テレメトリモジュール133および/または携帯電話70および/またはラップトップ9に無線で送信することを可能にする無線通信回路(詳細には示されていない)を含んでもよい。このようにして、システム10は、(例えば、身体の加速度または動きといった)物理的パラメータおよび/または(例えば、体温、瞳孔サイズおよび/またはその変動、発汗率、心拍数、または他の生理学的パラメータといった)生理学的パラメータを含む1つ以上のパラメータを感知してもよい。
患者によって着用されるセンサの例は、スウェーデンのストックホルムにあるTobii ABから市販されているモデルTobii Pro 2ウェアラブルアイトラッカーである。このアイトラッカーは、軽量なメガネのようなユニットであり、ユーザが着用することができ、患者のアイトラッキングデータおよび患者の瞳孔サイズデータを提供することができる。
システム10のいくつかの実施形態に従って、1つ以上の補助センサ15のうちの1つ以上は、神経伝達物質の血中濃度を決定するための(例えば、セロトニンセンサおよび/またはドーパミンセンサといった)移植された化学センサであってもよいことに留意されたい。そのようなセンサは、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14および/または携帯電話70および/またはラップトップ9に、患者の血液中のセロトニンおよび/またはドーパミンの濃度を表すデータを提供してもよい。このデータはまた、システム10によって処理されてもよく、方法に関して以下に開示される気分指数(MX)の値の計算に使用されてもよい。
このような神経伝達物質濃度データはまた、図1の1つ以上のエフェクタデバイス13の1つ以上のデバイスの動作を自動的に制御するために使用されてもよい。例えば、1つ以上のエフェクタデバイス13の1つまたは複数は、患者の脳の1つ以上の関連領域にセロトニンおよび/またはドーパミンを要求に応じて送達することができる神経伝達物質送達デバイスであってもよい。そのような1つ以上の神経伝達物質送達デバイスまたはその神経伝達物質送達のための(例えば、適切なカニューレといった)部品のみが患者の頭蓋骨に移植されてもよい。血液伝達物質レベルが予め設定された閾値または予め設定された閾値以下に低下した場合、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14は、1つ以上の神経伝達物質送達デバイスを作動させて、セロトニンおよび/またはドーパミンの治療用量を患者の脳に、または患者の血液に送達してもよい(この化学療法は、治療用脳刺激とは独立して、または治療用脳刺激と一緒に実行されてもよい)。
以下、システム10のようなシステムの動作方法のいくつかについて、より詳細に開示する。
インプラント20は、様々な異なる実施形態で実施されてもよい。本システムのいくつかの実施形態によれば、インプラント20は、頭蓋冠内インプラントであってもよい。
ここで、図2〜5を参照する。図2は、本願の気分障害を治療するためのシステムのいくつかの実施形態で使用可能な頭蓋冠内インプラントを示す概略的な等角図である。図3は、図2の頭蓋冠内インプラントを示す概略底面図である。図4は、図2の頭蓋冠内インプラントの概略側面図である。図5は、線V−Vに沿って取られた、図2の頭蓋冠内インプラントの概略断面図であり、患者の頭蓋骨にインプラントを移植した後の頭蓋冠骨に対するインプラントの相対的な位置をも示す。
頭蓋冠内インプラント200は、ハウジング202を含んでもよい。ハウジング202は、円筒状または円盤状のハウジングであってもよいが、他のハウジング形状も使用されてもよい。ハウジング202は、任意の適切な生体適合性材料、例えば、チタン、ステンレス鋼、ポリマーベースの材料、パリレン(登録商標)または任意の他の適切に強い生体適合性構造材料から作られてもよい。頭蓋冠内インプラント200はまた、4つの電極206,208,210,212、基準電極214、および接地ストリップ204を含む。ハウジングが電気的に導電性の金属から作られている場合、接地ストリップ204は、ハウジング202と接地ストリップ204との間に配置された非電気的に導電性の材料(図示せず)の層によって、ハウジングから電気的に絶縁されていてもよい。ハウジング202が非導電性材料から作られている場合、接地ストリップ204は、ハウジング202の外側に面した表面を被覆する導電性材料(例えば、金または白金)の薄い層であってもよく、代替的に(図5に図示されているように)、接地ストリップ204は、ハウジング202の側壁に形成された凹部202A内に配置されてもよい。
図3〜4に目を向けると、電極206,208,210,212の各々は、それぞれ電極チップ206A,208A,210A,212Aと、それぞれ電極シャンク206B,208B,210B,212Bとを有している。電極チップ206A,208A,210A,212A,基準電極214、および接地ストリップ204は、(例えば、金、白金、ステンレス鋼、金または白金でコーティングされたステンレス鋼、または他の生体適合性のある導電性の材料といった)導電性の材料から作られていてもよい。電極シャンク206B,208B,210B,212Bは、(例えば、非電気的に導電性のポリマーベースの材料、パリレン(登録商標)、または任意の他の適切な生体適合性ポリマーといった)電気的に絶縁性の材料から作られてもよい。基準電極204は、電極チップ206A,208A,210A,212Aと同じ導電性の材料から作られてもよい。
図5に目を向けると、頭蓋冠内インプラント200は、患者の頭蓋骨の頭蓋冠骨に移植されているものとして図示されている。インプラント200のハウジング202は、(穴あけ、バリ取り、または任意の他の適切な外科的方法によって)頭蓋冠骨13内に外科的に作られた空洞111内に移植される。空洞111は、頭蓋冠骨13の外板5の外側表面5Aで開口し、海綿骨層7を通って延び、頭蓋冠骨13の内板6の外側表面6Bに達する。
図5に図示されているような空洞111の形状および寸法は、必須ではないことに留意されたい。例えば、いくつかの実施形態では、空洞111は、ハウジング202および基準電極214を収容し、内板6に達する4つの狭い通路(図5には示されていない)を含むような形状であってもよい。電極206,208,210,212は、電極チップ206A,208A,210A,212Aが内板6の外側表面6Bに接触するか、または非常に近くにあるように、海綿骨7に形成された4つの狭い通路に挿入されてもよい。このような空洞構成の利点は、穴を開けて取り除かなければならない海綿骨の量を最小限に抑えることである。
いくつかの実施形態では、空洞111は、内板6を破断することなく(すなわち、内板6を完全に貫通することなく)空洞111を内板6内に延ばすために表面6Bを慎重に貫通することによって、部分的に内板6内に延在してもよい(図5に図示された実施形態では図示されていない)ことに留意されたい。これは、有利には、電極チップ206A,208A,210A,212Aの間に介在する骨質材料の厚さを減少させ、その結果、内板6の下にある皮質領域(図示せず)から記録された皮質信号の減衰が減少しうる。さらに、内板6の厚さを減少させることは、有利には、刺激に必要な電流強度を減少させることによって、電極206,208,210,212による皮質の刺激を改善し、したがって、電力を節約しうる。
インプラント200は、電源35(図5の断面図では詳細には示されていない)および電子モジュール215を含んでもよい。電子モジュール215は、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14、1つ以上のメモリユニット18、信号調節モジュール155、刺激生成モジュール170、およびテレメトリモジュール133を含んでもよい。
電源35は、任意の適切なタイプの電源であってもよく、例えば、電池または化学電池(一次電池または二次電池)、スーパーキャパシタ、燃料電池、または任意の他の適切なタイプの電源であってもよい。代替的または追加で、電源35は、エネルギーを受け取り、エネルギーを蓄積電荷として蓄積することができるパワーハーベスティングデバイスであってもよい。例えば、電源35の1つの可能な実施形態は、以下に詳細に開示され、図5に図示されているように、誘導コイル16に結合されている。
代替的および/または追加で、電源は、電力を受信または生成し、受信または生成された電力を蓄積するための任意のタイプの適切なパワーハーベスティングデバイスを含んでもよい。例えば、電源35は、インプラント200に近接して配置された外部の音響または超音波発生器から音響エネルギーを受信するための圧電素子を含んでもよい。別の実施形態では、電源35は、患者の頭部または身体の動きを蓄電可能な電荷に変換する電気機械的発電デバイスを含んでもよい。そのようなパワーハーベスティングデバイスは、本発明の主題ではなく、当技術分野で周知であり、したがって、以下では詳細に説明しない。
動作のために相当量の電力を必要とする可能性のあるインプラントの場合、インプラント200内(または本願に開示された他の任意のインプラント内)に内部的に配置されている電源35を、患者の体内に移植される、或いは患者によって携帯されるまたは着用される電源(図示せず)と交換することが可能であることに留意されたい。いくつかの実施形態では、医療外科的に移植可能な電源(図示せず)は、患者の体内に移植され、以下に開示されるように中空通路32Aおよび32Bを介してインプラント200内に入ることができる適切なリード(図示せず)を介して、(インプラント200などの)インプラントに適切に電気的に結合されていてもよい(図2を参照されたい)。この目的のために、ペースメーカーおよび/または除細動器に通電するために使用される移植可能な電源のいずれかが、ペースメーカーおよび除細動器の当技術分野で知られているように使用されてもよい。例えば、そのような電源は、患者の胸部に作られた適当な皮下ポケット内に移植され、適当なリード線によってインプラントに接続されてもよい。そのような医療用電源のための他の任意の好適な移植方法および移植位置もまた使用され得る。
電極チップ206A,210A,212Aは、(好ましくは、絶縁された導電性ワイヤであってもよい)好適な導電性ワイヤ206C,210C,212Cによって電子モジュール215に接続されてもよい。電極チップ208Aを電子モジュール215に接続する導電性ワイヤは、図5の断面図には示されていないことに留意されたい。基準電極214は、絶縁された導電性ワイヤ214Cによって電子モジュール215と電気的に接続されてもよい。接地ストリップ204は、絶縁された導電性ワイヤ204によって電子モジュール215と電気的に接続されてもよい。電子モジュール215は、好適な一対の絶縁された導電性ワイヤ線27によって電源35に接続されてもよい。
電源35は、ハウジング202内に形成された2つの適当な中空通路32A,32B(図2を参照されたい)を密封的に通過する一対の絶縁された導電性ワイヤ28によって誘導コイル16に電気的に結合されてもよい。図5の誘導コイル16は、移植後にハウジング202と患者の頭皮109との間に配置されるものとして図示されている。患者は、誘導コイル16を覆う頭皮領域に誘導コイル19(図5に図示せず)を配置し、交流電源27からの交流電流を誘導コイル19に流すことにより、電源35を定期的に充電してもよい。
[刺激の仕様]
いくつかの実施形態によれば、4つの電極206,208,210,212は、それぞれ、独立かつ同時の二相電気供給が可能であってもよい。典型的には、非対称かつ電荷平衡の二相波形が4つの電極206,208,210,212のすべてから同時に供給/シンクされてもよい。4つの(ソース)電極206,208,210,212のそれぞれにおける電流の大きさ(典型的には、最大6ミリアンペア(mA))は、互いに独立しており、プログラム可能である。4つの電極206,208,210,212の全てが最大に活動している場合、インプラント200全体からの総電流は24mAであってもよい。4つの電極206,208,210,212のすべての電気的な戻り経路は、ハウジング202上の大きな接地ストリップ204であってもよい。4つの電極206,208,210,212のそれぞれの独立した電極は、最大12ボルトのコンプライアンス電圧を有してもよい。基準電極214は、典型的には刺激のために使用されない。標準的な皮質刺激パラメータは、インプラント200に遠隔測定的にプログラムされてもよい。システム10のいくつかの実施形態では、刺激パラメータは、以下の範囲、5〜750マイクロ秒(μS)の範囲のパルス幅、および周波数5〜500ヘルツ(Hz)の範囲のパルス周波数であってもよい。しかし、上記範囲外の(上記範囲よりも低いまたは高い)他のパラメータの値を用いてもよい。
[記録の仕様]
4つの(ソース)電極206,208,210,212は、電圧ベースの電界電位を記録することもできる。インプラント200の一実施形態によれば、インプラント200は、刺激および記録を同時に行うのではなく、(例えば、100ミリ秒よりも小さい持続時間を有するインターリーブされた刺激および記録期間を使用して、または10Hzよりも大きい交替周波数を使用して)記録モードと刺激モードとの間で迅速にインターレースされてもよい。電極206,208,210,212の各電極は、4つの(ソース)電極206,208,210,212にインピーダンス整合されていてもよい中央に配置されたわずかに大きい基準電極214に対して相対的に差動的に記録されてもよい。接地ストリップ電極204は、頭蓋骨の頭蓋冠骨の外板の近傍に配置されてもよい(図5を参照されたい)。基準電極214は、頭蓋冠骨の海綿骨層7の中心骨髄内の空洞111内に配置されてもよい。電極206,208,210,212は、それらの電極チップ206A,208A,210A,212Aが、頭蓋冠骨の内板6の外側表面6Bの近傍にまたは接するように配置されてもよい(図5を参照されたい)。
記録のための周波数範囲は、3〜200Hzの範囲であってもよい。中間ガンマ帯域(75〜105Hz)のノイズフロアは、200ナノボルト(nV)以下であってもよい。最大差動電界電位は100マイクロボルト(μV)である。しかしながら、電子モジュール215に含まれる1つ以上の増幅器(詳細には図示せず)は、最大5ミリボルト(mV)の(例えば、電極206から接地ストリップ204への)シングルエンド入力が可能であってもよい。±5mV最大入力でユニティ利得差動記録を行った後、信号は、バンドパスフィルタリング(3〜200Hz)され、約50倍の利得で増幅されてもよい。最大入力が±5mVの12ビットのアナログデジタル変換器(A/D)は、2kHz(10倍サンプリング)の最低レートでサンプリングしてもよい。50倍の利得と±5mVの最大入力範囲では、A/Dのサンプリング電圧分解能は50nV未満であってもよい。
システム10の動作中、継続的な使用により、患者の現在の感情状態(または気分)に関する情報またはデータを受信するために、(例えば、携帯電話70を使用することにより)通信ユニット100によって、患者は、エピソード的に「ping」(質問または問い合わせ)されるであろう。受信した情報は、気分状態を所与の皮質生理学的パラメータと相関させるために使用されてもよい。これらのパラメータは、周波数帯域振幅、周波数位相相互作用、周波数帯域振幅比、所与の電極での位相振幅結合、および異なる記録電極間での位相振幅結合を含んでもよい。次いで、(例えば、サポートベクターマシン、ディープラーニング、マルチレベルニューラルネットワークといった)機械学習アルゴリズムを使用して、生理学的信号から気分の状態を予測するための統計モデルを作成してもよい。
システム10の使用に伴って統計モデルが徐々に出現するにつれて、肯定的な気分状態を最もよく予測する生理学的状態を誘発する脳を刺激するための刺激パラメータが構築されてもよい。基本的な刺激パラメータは、最初に設定されてもよいが、進行中の閉ループ相互作用によって修正されてもよい。いくつかのシステムおよび方法の実施形態によれば、このような刺激パラメータの変更は自動的に行われる。代替的および/または追加で、刺激パラメータの変更は、精神科医または患者を監視する他の医療介護者のような患者の介護者によって実行されてもよい。
このマルチループシステムは、患者からの継続的な入力によって継続的に最適化されてもよい。患者が携帯電話70上で動作するアプリケーションに間欠的に入力を提供すると、システム10は、患者の肯定的な気分または否定的な気分のバイオマーカの指示の精度を向上させるように継続的に動作する。
[自動的かつ任意のEMA評価方法]
自己監視される気分データ(予測タスクの対象)を収集するために、システム10は、Vrije Universiteit Amsterdamで開発されたEMAの携帯電話アプリケーションであるeMateを使用してもよい。このアプリケーションは、1日あたり5回の設定時点(すなわち、凡そ9時、12時、15時、18時、および21時)において、参加者にスマートフォン上で気分を評価するように促す。先行技術文献に引用されているRobert LiKamWa et al (2013)の論文に示されているように、気分は、異なるレベルの有感(肯定的/否定的な感情)と覚醒とを備える二次元の構成要素として気分を概念化する、感情の円環モデルを介して評価されてもよい(先行技術文献に引用されているRobert A Russel (1980)の論文を参照されたい)。両次元のレベルは、−2から2(低から高)までの5段階の尺度で評価される。最近の研究では、単項目の気分測定が抑うつ症状の発現に関する予測情報を提供できることが示唆されているので(詳細については、先行技術文献リストのGerard D. van Rijsbergen et al.,2012の論文を参照されたい)、1を否定的、10を肯定的の極とする10段階の尺度で現在の気分を評価するように参加者に尋ねる一次元の気分の質問を追加することもできる。
[気分予測因子の目立たない瞬間的な生態学的評価]
目立たない(unobtrusive)評価のために、本願のシステム/方法は、Funfオープンセンシングフレームワーク(Aharony, N., Gardner, A., Sumter, C., & Pentland, A.(2011),Funf; Open sensing framework)に基づく見えない携帯電話アプリケーションであるiYouVUと、ユーザが完全に意識せずに収集した携帯電話データに基づくコミュニケーション習慣に関する先行研究と、を使用してもよい。このアプリケーションは、ユーザに気づかれないようにバックグラウンドで動作し、指定されたセンサデータとアプリケーションのログを収集する。アプリケーションは、通話イベント(通話の日時、通話時間、着信と発信の両方の連絡先)、ショートメッセージサービス(SMS)テキストメッセージイベント(日時、連絡先)、画面のオン/オフイベント(日時)、アプリケーションの使用状況(いつ、どのアプリケーションを起動したか、いつ、どのくらいの時間)、携帯電話のカメラの使用状況(写真を撮影した日時)のログを取る。連絡先(名前、電話番号)のような収集されたすべての機密個人データは、Funfフレームワークの組み込みの暗号化ハッシュ関数を介して、アプリケーションによるデータ収集中に匿名化されてもよい。毎日一定の間隔で、参加者の携帯電話がWi−Fiに接続されている場合に限り、アプリはインターネットを介して収集したデータを、データファイルごとに約5〜10メガバイト(MB)のチャンクで遠隔中央データサーバに送信する。追加のデータは、全地球測位システム(GPS)の位置データや加速度計のデータを含んでもよい。
システム10のいくつかの実施形態に従って、携帯電話70によって収集されたデータは、クラウド処理および/またはデータロギングのために、WiFiを介してインターネットに(またはセルラーネットワークデータ伝送プロトコルを使用して)遠隔の中央データサーバに送信されてもよい。このような遠隔処理および/またはロギングの結果として得られたデータは、携帯電話70またはラップトップ9によってアクセスされ、気分指数MX、および/または変調指数MI、または以下に詳細に開示されるような方法の動作に必要な他の値のような値を計算するために使用されてもよい。あるいは、処理および/または計算は、インターネットを介して、任意の計算された値(例えば、以下に詳細に開示されるMXおよび/またはMIなど)を(WiFiまたはセルラーデータ伝送プロトコル、または任意の他の適切な通信プロトコルを使用して)携帯電話70および/またはラップトップ9に通信して、使用のために、および/または1つ以上のプロセッサ/コントローラ14によって使用されるように、テレメトリモジュール133にそのような値を遠隔測定的に送信するために、クラウドリモートサーバにオフロードされてもよい。
[データ前処理と特徴エンジニアリング]
本明細書の先行技術文献リストで引用されたJoost Asselbergs et al.(2016)の論文に詳細に開示されているように、生のEMAおよび目立たないEMAデータは、各参加者の各日を53個の変数からなる行に要約したデータファイルに前処理されてもよい。
[予測目標−生態的な瞬間評価気分]
LiKamWaらの研究と同様に、EMAデータ(すなわち、1次元の気分測定値と円環モデルの2つの測定値、有感と覚醒の両方)を、気分予測アルゴリズムの対象として日平均値に集約した。日平均値は、各参加者内で(すなわち、各参加者について別々に計算された平均値と標準偏差を使用して)標準化される。
[気分予測特徴セット]
生の目立たないEMAデータは、日別サマリーに集約され、これらの日別サマリーから、先行技術文献で引用されているAsselbergs et al.の論文の表1に詳細に開示されているように、特徴セットが導出されてもよい。
電話とSMSのテキストメッセージについては、参加者が最も頻度の高い5人の連絡先と交信した回数がカウントされる。LiKamWa et al.に倣って、3日間の履歴ウィンドウにわたるこの相互作用頻度のヒストグラムを作成し、正規化された頻度カウントを特徴表のサンプルとして使用してもよい。同様に、上位5人の接触者との通話時間の3日間のヒストグラムを正規化して作成してもよい。ほとんどの参加者は、通話やSMSテキストメッセージを通じて、上位5人以外の人とは偶発的にしか交信しない。全体として、生の通話/SMSテキストメッセージデータは、15の変数を備える3つの予測特徴(上位5人の通話頻度と持続時間および上位5人の連絡先のSMSテキストメッセージ頻度)に要約される。
生の携帯電話の画面オン/オフイベントは、2つの特徴、(1)1日あたりの画面をオンにした全回数、および(2)1日あたりの全画面時間量(画面のオン/オフイベントの時間の差として計算される)に変換される。両方の特徴は、各参加者内の標準正規変数に変換される。
加速度計データは、x、y、z平面上でのスマートフォンの加速度を表している。加速度は(参加者の携帯電話のハードウェアとソフトウェアの特性によって決定される20〜200Hzの間で変化すると推定されるサンプル周波数で)毎分5秒間サンプリングされる。生データは、(x,y,z平面上の)デバイスの加速度の分散の合計が、設定された「高活動」閾値を超える(すなわち、分散の合計が10m/sを超える)時間のパーセンテージを計算することによって、(Funfの活動プローブを介して電話上で)高活動変数に要約される。これらのパーセンテージは、毎日の活動のおおよその尺度を提供するために日レベルに集約される。
携帯電話アプリケーション使用の日次の尺度として、最も使用頻度の高い5つの携帯電話アプリの1日の使用頻度と使用時間の3日間の正規化ヒストグラムを2つ作成した。また、アプリケーションカテゴリの使用頻度と使用時間の正規化ヒストグラムを作成した。LiKamWaらの研究に従って、アプリケーションは、内蔵、通信、エンターテイメント、金融、ゲーム、オフィス、ソーシャル、旅行、ユーティリティ、その他、不明(合計11のカテゴリ)のいずれかに分類されている。ログに記録されたアプリケーションのカテゴリは、Google Playストアのスクリプトによるクエリによって決定される。Google Playストアで不明なアプリケーションは、インターネット検索に基づいて手動で分類した。要約すると、最終的なデータセットは、アプリケーションの使用ログに基づいた4つの特徴、上位5つのアプリケーション頻度、上位5つのアプリケーション期間、アプリケーションカテゴリ頻度(11カテゴリ)、アプリケーションカテゴリ期間(11カテゴリ)から構成されている。これらの特徴は、32個の変数(5+5+11+11)になる。
携帯電話のカメラログは、1日当たりの撮影された写真の枚数に要約される。次に、この要約を、すべての値を最大撮影枚数で除算して、参加者ごとに個別に0−1の尺度に変換する。
最後に、LiKamWaらと同様に、(各参加者内で標準化された)各気分変数のラグ1およびラグ2変換を追加することにより、気分履歴の単純な表現を持つ予測特徴セットが拡張される。
合計すると、13個の特徴的な予測特徴から53次元の変数セットが導出される。回帰モデルは、独立変数のスケールの大きな違いに敏感なので、変数のスケールは、標準正規分布(すなわち、−3から3の間の値の99.7%)に変換される。相互に関連した変数(例えば、上位5位の通話と上位5位のアプリケーション使用)は、LiKamWaらの方法に従って、0−1の範囲に正規化される。
治療的な脳刺激が提供されると、この刺激の結果はまた、報告された気分および結果としての患者の生理学に対する刺激の影響を決定するために、瞬間的な生態学的気分評価(EMA)で定期的に尋問されてもよい。気分、報告された気分、および生理学的パラメータに基づいて、刺激パラメータはまた、進化して変化してもよい。これは、刺激の振幅、刺激パルス幅、およびパルス周波数変化を含み得る。最終的には、患者の報告に基づいて性能を継続的に自己評価する動的な記録および刺激システムが得られる。このように、これにより、バイオマーカは、患者固有のものであるだけでなく、患者のベースラインの生理学が非定常である場合や、患者の基本的な脳の状態および生理学が時間の経過とともに変化する場合にも、時間の経過とともに調整することができるようになる。
[追加のうつ病バイオマーカを決定するための方法およびセンサ]
(図1の)(任意選択の)補助センサ15は、任意選択で、本願の方法のいくつかの実施形態で、(例えば、気分指数MXなどの)グローバル気分指数を計算するために使用可能なデータとして使用され得る追加のバイオマーカを提供してもよいことに留意されたい。センサデータは、1つ以上の補助センサユニット15によって感知されてもよく、本明細書に開示されているように、心拍数(HR)、発汗データ、瞳孔サイズ(および/または検査が患者に提示されたときの瞳孔サイズの時間的パラメータの変化など)を含んでもよい。
例えば、大うつ病患者では、正常群(対照群)に比べて、心臓の拍動間隔やスペクトル分析の高周波ピークの値が有意に低かったことが、非特許文献1の論文で示されている。
また、大うつ病の子どもは、否定的な言葉が提示されてから9〜12秒後に、比較対象の子どもと比較して晩期瞳孔拡張が減少していたことが非特許文献2の論文で示されている。否定的な言葉の提示に対する晩期瞳孔拡張の低下は、自然環境では否定的な感情のレベルが高く、肯定的な感情のレベルが低いことと関連づけられた。
また、母音生成における周波数範囲の減少は、心理学的および神経学的障害を有する個人の発話特性としてよく知られており、うつ病や心的外傷後ストレス障害(PTSD)などの感情障害は、運動制御および特に発話生成に影響を及ぼすことが知られている。
例えば、非特許文献3の論文では、著者らは教師なし機械学習に基づいた自動化されたアプローチを用いて、話者の母音空間を評価している。253人の記録に基づいた実験では、質問票で肯定的なスコアを得た被験者の母音空間が有意に減少していることが示された。うつ病の症状を持つ被験者の母音空間の減少は、調音や運動制御に影響を与える精神運動遅滞という共通の条件によって説明できる。
うつ病または他の気分障害の影響と相関するそのような生理学的パラメータは、患者の気分を評価するための追加の(センサベースの)バイオマーカとして、本願のシステムおよび方法のいくつかの実施形態に従って使用することができる。
例えば、システム10のいくつかの実施形態では、(携帯電話70に含まれているか、または携帯電話70に接続可能な別個のHRセンサか、患者の身体に取り付けられているかのいずれかの)心拍数(HR)センサを使用して、患者の心拍数を決定し、携帯電話70に心拍数データを提供してもよい。
別の例では、システム10のいくつかの実施形態では、外部マイクまたは携帯電話70のマイクを使用して、患者の声(患者が携帯電話70で話している間に録音された)の音声スペクトル分析を行ってもよい。記録されたデータは、その後、(例えば、携帯電話70のプロセッサによって、またはクラウド31内で)処理されてもよい。
別の例では、システム10のいくつかの実施形態では、患者の瞳孔サイズは、携帯電話70上の適切なアプリケーションによって、または、例えば、ARヘッドセット11または患者によって装着され、瞳孔サイズ測定機能を有する専用の瞳孔計といった別のデバイスによって、監視および記録されてもよく、瞳孔サイズの測定機能を有することは、周期的に、または(例えば、Silk et al.による本明細書中に記載された否定的/中立的/肯定的な単語提示テストのような)患者に提示されたテストに応じて、瞳孔サイズデータ(および任意選択でアイトラッキングデータ)を得るために使用されてもよい。簡単に言えば、携帯電話70を使用してテスト期間が開始されてもよく、その間、異なる否定的/中立/肯定的な感情的含意を有するテスト単語が携帯電話70の画面上に提示され、提示された単語刺激に応答した瞳孔サイズの時間的変化が、携帯電話の正面向きカメラまたは患者によって装着された専用の瞳孔計装置によって測定および記録されてもよい。
EMAデータを取得する方法は、患者がウェブコンテンツを閲覧している間に、否定的な感情的なコンテンツを持つ単語に反応する患者の瞳孔サイズの変化を監視するための目立たない方法を含んでいてもよいことに留意されたい。例えば、患者がARヘッドセット11を使用してウェブコンテンツを閲覧している場合、ARヘッドセット11のアイトラッキング機能は、患者が現在閲覧している単語をシステムが特定することを可能にしてもよく、ARヘッドセット11の瞳孔サイズ決定機能は、否定的な単語を読むことによる瞳孔サイズの変化を監視して、患者が抑うつ的な気分になっているかどうかを検出することができるようにしてもよい。患者が見ている1つ以上の単語は、メモリまたは別のストレージデバイス(ARヘッドセット11上、またはノートパソコン9上、携帯電話70上、またはクラウド31上のリモートサーバ上)に格納されているルックアップテーブル(LUT)に基づいて、正常(中立)または否定的な感情的含意を有するものとして特定されてもよい。
このような単語ルックアップテーブルは、単語の特定を高速化するために、(典型的には、数十から数千の単語の範囲の)比較的少数の単語を含んでもよい。単語が否定的な感情的含意を有するものとして(LUTを使用して)特定された場合、システムは、患者がその単語を見始めた時間の少し前に始まり、患者がその単語を見始めてから数秒後(典型的には10〜15秒後)に終了する時間期間に記録された瞳孔サイズデータを保存してもよい。保存されたデータは、次に、本明細書および上記で引用したSilk et al.(2016)の論文で詳細に開示されているように、瞳孔の応答のパラメータがうつ病の気分を示すかどうかを決定するために処理されてもよい。瞳孔測定を介して気分に関連するデータを得るこの方法の利点は、この方法が完全に目立たないものであり、患者に検査セッションを押し付けがましく提示する必要がないことである。
瞳孔の応答のパラメータを表すデータは、(例えば、否定的な言葉の提示に応答した後期瞳孔拡張の振幅、応答潜時および持続時間、または他の瞳孔の大きさの特徴といった)患者の気分と相関のあるパラメータを得るために処理されてもよい。これらのパラメータは、患者の気分を評価するためにシステム10によって処理されてもよい。否定的な言葉の提示に対する瞳孔の応答特性は、(Silk at al.によって説明されているように)患者の年齢によって異なり、小児、青年、および成人で異なる場合があるので、個々の患者の瞳孔サイズ変動ダイナミクスを決定するために、テスト期間中に個々の患者を評価するように注意が払われるべきである。テスト結果が得られた後、統計分析によって、(EMAによって評価されたように)抑うつ気分の重症度に関連した応答パラメータが決定されてもよい。そのようなパラメータは、その後、モデルに含まれてもよい。
このような瞳孔サイズの決定に使用される瞳孔計の例としては、スウェーデンのストックホルムにあるTobii ABから市販されているTobii Pro 2ウェアラブルアイトラッカーがある。
上記の3つの例(HR測定、瞳孔サイズ動態測定、および母音空間測定)は、本願に開示された「モデル」を確立するための「マルチモーダル分析」を可能にし得るバイオマーカの3つの非限定的な例に過ぎないことに留意されたい。そのようなバイオマーカは、患者の気分と相関関係を示す患者の他の測定可能な生理学的および/または行動特性を含んでもよく、そのようなバイオマーカは、本明細書に開示される気分指数(MX)の値を計算するための方法およびアルゴリズムによって実行されるデータ処理に含まれてもよい。例えば、瞳孔動態変化テストは、否定的な言葉の提示に代えて、否定的、中立的または肯定的な意味合いを有する画像を患者に提示し、そのような画像の提示に応じた瞳孔サイズの変化のパラメータを監視することによって修正されてもよい。
いくつかの実施形態では、画像(または単語)の提示および瞳孔サイズの変化の監視は、画像(または単語)の提示および瞳孔サイズの変化を決定するために使用されてもよいARヘッドセット11によって実行されてもよい。他の実施形態では、画像(または単語)は、携帯電話70の画面上に提示されてもよいし、ラップトップ9の画面上に提示される一方、瞳孔サイズの変化は、(例えば、本明細書に開示されているようなTobii pro2のような)専用の瞳孔計によって、またはARヘッドセット11によって監視されてもよい。
「モデル」という用語の使用は、複数の様々なバイオマーカ(脳活動、心拍数、瞳孔拡張、音声スペクトログラム、または他の関連する気分を示すバイオマーカ)、(例えば、その瞬間にどのように感じるかを入力する)手動でのユーザ入力、および管理人の入力を記録し、そのような複数の入力を様々なアルゴリズムを使用して処理して、特定の脳刺激治療パラダイムを提供し、および/またはユーザまたはその世話人のいずれかに視覚/聴覚フィードバックを提供することに関連している。
[デジタル信号処理]
システムから記録された信号は、以下の方法で処理される。(例えば、±1000mVより大きい)異常な振幅または異常なパワースペクトル(例えば、高調波ノイズ)を持つチャネルは、フラグが付され、さらなる分析から除外される。システムは、モーレットウェーブレット畳み込みを使用してスペクトル分解を行い、得られた複素信号から位相と振幅エンベロープを推定する。その後、すべての信号は300Hzにダウンサンプリングされる。ウェーブレットに由来するすべての特性(位相、振幅、パワーなど)は、エッジ効果を避けるために、試験が抽出される前に、信号全体から生成される。
[第1の方法−気分バイオマーカの信号としての位相振幅結合(PAC)]
位相振幅結合(PAC)には2つのウェーブレットライブラリが使用されている。これらのライブラリは、位相振幅結合測定の数学的制約を満たすように作成される。具体的には、周波数−振幅(Fa)の帯域幅は、関心のある周波数−位相(Fp)の2倍でなければならない。2つのウェーブレットライブラリは、以下のように構築された。
[振幅ウェーブレットの周波数]
帯域幅の下限推定値としてモーレットウェーブレットの半値最大全幅(FWHM)が使用される。Faウェーブレットは20HzのFWHMを持つように設計されており、5Hz刻みで20Hzから150Hzまでに亘る中心周波数を持つ21個のウェーブレットを使用した。
位相ウェーブレットの周波数:狭帯域Fpウェーブレットは、位相の特異性のために設計されている。デルタ、シータ、アルファのリズムを区別するために、より高い周波数分解能が位相信号に採用されている。我々は、1Hz間隔でFWHMが0.8Hzの1Hzから20Hzまでに亘る20個のFpウェーブレットを使用した。
[変調指数を用いた位相振幅結合(PAC)の定量化]
PACは、結合の大きさを定量化する変調指数(MI)を使用して測定される。MIはまた、異なる周波数にわたって異なる形態のPAC(例えば、ユニモーダル対バイモーダル)を比較するための共通の測定値を提供する。MIは、一様分布(すなわち、純粋なエントロピー)と観測された、所与のビンの位相における正規化された平均振幅を記述する確率密度P(j)の間のKullback−Leibler発散として計算される。2つの周波数のシーケンスに対するMIのペアワイズ計算は、コモデュログラムを生成する.MIは次のように計算される。
Figure 2021527517
Figure 2021527517
ここで、DKLはKullback−Leibler発散、Pは観測された位相振幅確率密度関数、Qは一様分布、Nは位相ビン数である。Pは次の式に従う。
Figure 2021527517
ここで、
Figure 2021527517
は位相信号
Figure 2021527517
の位相ビンjにおける平均f振幅信号である。位相は20度間隔の18個のビンに分割されている。
関心のあるPAC周波数のペアを特定するために、試験はEMAで示された気分によってソートされ、最高の気分から最悪の気分までに亘四分位に分割される。我々は、最高と最低の気分測定の四分位からの信号を使用して、ビンに分けられた位相ごとに正規化された振幅のP(j)分布を生成し、そこからMIを計算する。
[統計解析]
[帯域制限パワーとPACの時系列比較]
クラスタ候補は、各標本でカテゴリ間に差がないという帰無仮説を検定するために、t−統計量を使用して生成された。標本のt−統計量が5%のアルファレベルを超えた場合、その標本について帰無仮説が棄却され、それがクラスタ候補とみなされる。時間的に隣接するクラスタ候補を1つのクラスタにグループ化し、それらのt−統計量を合計して、クラスタリング統計量を生成する。観察されたデータのクラスタリング統計量は、順列分布に対して検定された。順列分布を生成するために、試行ラベル(例えば、有効か無効か)がシャッフルされ、無作為に10,000回再割り当てされる。各シャッフルについて、上述のように、クラスタ候補およびクラスタリング統計量が生成される。各シャッフルからの最大クラスタリング統計量は、順列分布を作成するために使用される。P値は、式
Figure 2021527517
を用いて観測されたクラスタについて計算され、ここで
Figure 2021527517
は観測されたクラスタリング統計量よりも大きいシャッフルされたクラスタリング統計量の数であり、
Figure 2021527517
は使用されたシャッフルされたセットの合計数である。多重比較は、False Discovery Rate(FDR)補正法を用いて皮質部位間で補正される。
[位相振幅結合の比較]
2次元ノンパラメトリック順列検定は、肯定的な気分の試行と否定的な気分の試行の差に基づいてコモデュログラムのクラスタベースの統計的推論を行うために適応されている。まず、気分測定値を試行に無作為に再割り当てし、ソートし、四分位に分割し、気分の四分位が高くなった場合と落ち込んだ場合のコモデュログラムの絶対差を計算することにより、各皮質部位について1,500個のシャッフル分布を生成する。
Figure 2021527517

Figure 2021527517
の分布における各周波数ペアのプールされた分散は、各周波数ペアに固有のカットオフ閾値を決定するために使用される。隣接する超閾値の周波数ペアは、クラスタでグループ化され、t−統計量が合計される。帰無仮説は、対角線が隣り合っているとはみなされない2次元クラスタに基づく順列検定を用いて、シャッフルされたデータが観察されたデータと変わらないことを検定する。
PAC時系列は、50ms刻みで500msのスライドウィンドウでMI計算を使用して計算される。気分カテゴリのPAC時系列間の差は、上述の1次元クラスタベースの順列検定を用いて計算される。
[第二の方法:振幅変調]
気分に関連する生理学的バイオマーカを特定する第二の方法は、特定の周波数での振幅変化を評価することを含む。上述の方法を使用して、振幅変化はまた、気分状態と相関するように決定することができる。これは、単一の電極における異なる周波数での異なる振幅、または異なる電極位置での異なる周波数の振幅について行われてもよい。
[振幅変化を利用した気分指数の決定方法]
生の信号は、3次バターワースフィルタを使用して0.05Hzでハイパスフィルタリングされた。過剰な量のノイズを含む電極は、さらなる分析から削除される。さらに、電極の大部分にアーチファクトを含む時間エポックは破棄される。ノイズのない電極の平均は、各電極からの信号から退行させる。
各電極からの皮質信号のパワースペクトル密度(PSD)をWelchの方法を用いて推定した。ウェルチの窓の幅は2秒(周波数分解能0.5Hz)、重なりは50%であった。パワースペクトルは、正準周波数帯(デルタ周波数帯:0.1〜4Hz、シータ周波数帯:4.5〜8Hz、アルファ周波数帯:8.5〜12Hz、シグマ周波数帯:12.5〜15Hz、ベータ周波数帯:15.5〜25Hz、低ガンマ周波数帯:25.5〜50Hz、高ガンマ周波数帯:70〜110Hz)に集約され、次に、すべての周波数帯にわたる総パワーで正規化される。
[状態間の時空間スペクトルの違い]
(EMAで定義されている)気分が高くなった状態と気分が落ち込んだ状態との間の皮質電気生理学的な違いを、信号検出理論の感度(または識別可能性)指標
Figure 2021527517
を用いて、各被験者について周波数領域で検討した。
Figure 2021527517
ここで、μb,cとσb,cは、周波数帯域bと電極cにおける特定の認知状態の全エポックに亘る平均帯域制限パワー(BLP)とBLPの標準偏差である。ρは各クラスに属するデータの割合である。
[状態推定のためのロジスティック回帰モデル]
ロジスティック回帰は、皮質信号を与えられた気分状態を正確に予測できるモデルを構築するために採用されている。各行動エポックからの皮質信号は、120秒の非重複セグメントまたはインスタンスに分割されている。PSDは各インスタンスについて計算され、周波数帯に統合され、特徴のセット
Figure 2021527517
になる。ここで、Cは電極の数であり、Bは、帯域の数である。特定のエポックからのすべてのインスタンスの特徴とクラスラベル、y(i)(抑うつ状態であれば−1、抑うつ状態でなければ+1)は、各セットでクラス分布が保存されるように、学習セットとテストセットのどちらかにグループとしてランダムに配置され、したがって、すべてのエポックにわたるインスタンスの合計数の約80%が学習セットに(約20%がテストセットに)ある。モデルの学習には、5フォールドのクロスバリデーションが使用される。各フォールドには、固有のテストセットがあった。
フォールド内では、各特徴は、すべての学習インスタンスの特徴平均で中央揃えされ、すべての学習インスタンスの特徴のユークリッドノルムで正規化される。
Figure 2021527517
ここで、
Figure 2021527517
は中央揃えの正規化された特徴平均、
Figure 2021527517
は周波数帯域bと電極cにおけるインスタンスiのBLP、
Figure 2021527517
はフォールド内のトレーニングセットの平均BLPである。また、学習セットから算出された特徴平均とノルムは、フォールド内でのテストセットの中央揃えと正規化にも使用される。
モデルは、すべての特徴量
Figure 2021527517
と特徴量のサブセット
Figure 2021527517
を用いて学習される。すなわち、各周波数帯域に属する特徴のグループに対して、固有のモデルが学習される。単一の患者に対して、n個のインスタンスの各学習セット、
Figure 2021527517
または
Figure 2021527517
について、シグモイド関数で変換された線形モデルを使用して、インスタンスiに抑うつ状態または非抑うつ状態にある確率を一般的にロジスティック回帰と呼ばれるモデル化する。
Figure 2021527517
ここで
Figure 2021527517
は、
Figure 2021527517
または
Figure 2021527517
のいずれかであり、
Figure 2021527517
はモデルをパラメータ化する重みベクトルである。システムは、各リーディングが正しく予測された確率を最大化することで、これらの重みを解決する。
Figure 2021527517
または、同等に、確率の負の対数のインスタンスに亘る合計を最小化することによって、これらの重みを解く。
Figure 2021527517
確率をモデル化することで、予測の不確実性を自然に表現できるようになり、これは、ユーザの認知状態が不確実な場合、BCIがオフのままの方が安全であるので、BCIアプリケーションにとって実用的な価値がある。
[最適な皮質位置の特定]
気分状態を推定するための最適な電極の位置は、最適化問題を制約することによって特定される。特徴重みのl/l混合ノルムを加えることで、システムは、電極の疎なセットからでも、全周波数帯からのBLPを使用する解に強制的に収束する。l/l混合ノルムの正規化ロジスティック回帰を以下に示す。
Figure 2021527517
ここで、λ≧0は、電極の重みが疎な学習セットでの予測精度をトレードオフする。同様に、入力
Figure 2021527517
として1つの特定の周波数帯からの特徴のみを利用するモデルについては、システムはl正規化ロジスティック回帰モデル:
Figure 2021527517
を採用している。
電極の疎さは、独立して1〜4個の電極(または必要に応じてより多くの電極)に変化させることができる。対応するハイパーパラメータλは、各フォールドのトレーニングセットの二値探索を用いて学習される。最初は、λに任意の値が割り当てられ、後続のモデルが構築される。モデルが所望よりも疎な場合は、制約のモデルへの影響を軽減するためにλを減少させる。逆に、モデルが所望よりも疎でない場合は、λを増加させる。このプロセスは、λがモデル内の所望の電極の疎さを提供する値に収束するまで、系統的に繰り返される。
[モデル予測と性能]
各モデルの出力は、被験者が抑うつ状態(上記式(7);y(i)=1)にある確率である。したがって、状態は以下のルールを用いて推定される。
Figure 2021527517
モデル性能は、各フォールドのテストセットの精度、感度、特異度を評価することで定量化される。
ここで、本願の方法のいくつかの実施形態による、患者の感覚的皮質活動および瞬間的な生態学的気分評価データを処理することによって脳刺激療法を提供するための方法のステップを例示する概略フローチャートである図6を参照されたい。
(例えば、システム10のような)システムが起動し、皮質電気信号を感知(および記録)する(ステップ300)。大脳皮質領域は、右DLPFC、左DLPFC、左と右の両方のDLPFC、またはPFCの任意の他の領域であってもよい。システム10は、記録された皮質信号を処理する(ステップ302)。次に、システムは、記録された信号中にうつ病のバイオマーカが検出されたかどうかをチェックする(ステップ304)。マーカは、変調指数MIまたは(例えば、本明細書で詳細に開示されているように、患者がうつ病である確率が0.5以上である状態推定などの)任意の他の適切な皮質バイオマーカであってもよい。(例えば、患者が抑うつ状態にある確率が0.5よりも小さい場合など)バイオマーカが検出されなかった場合、システムはステップ300に制御を戻し、皮質信号を感知して処理し続ける。バイオマーカが検出された場合、システムは次に、現在計算されている気分指数MXの値が閾値と等しいまたは閾値より小さいかどうかをチェックする(ステップ306)。閾値の値は、テスト期間中に決定されてもよいし、世話人または医師によって設定されてもよい。いくつかの実施形態によれば、気分指数値は、以下のように計算されてもよい。
Figure 2021527517
ここで、nは、(皮質信号バイオマーカおよび/または1つ以上の補助センサ15によって感知された1つ以上のバイオマーカパラメータ値を含む)使用されたバイオマーカパラメータの総数である。a,b,c,...,mは、n個の重み係数であり、A,B,C,...,Mは、患者から報告されたEMAデータとの相関関係に基づいて、1〜10の範囲に正規化された実際のバイオマーカ値である。
ムード指数(MX)の値が閾値よりも大きい場合、システムは制御をステップ300に移す。気分指数(MX)の値が閾値と等しいまたは閾値より小さい場合、システムは皮質刺激を提供する(ステップ308)。刺激は、右DLPFCおよび/または左DLPFCおよび/またはPFCの任意の他の選択された領域に送達されてもよい。次に、システムは、うつ病のバイオマーカがまだ検出されているかどうかをチェックする(ステップ310)。うつ病のバイオマーカがまだ検出されている場合、システムは制御をステップ308に移して皮質刺激を継続する。うつ病のバイオマーカが検出されない場合、システムは、気分指数MXの値が閾値よりも大きいかどうかをチェックする(ステップ312)。MXの値が閾値よりも大きい場合、システムは刺激を終了し(ステップ314)、制御をステップ300に戻す。MXの値が閾値よりも大きくない場合、システムは制御をステップ308に移し、皮質刺激の送達を継続する。
ここで、本願の方法のいくつかの実施形態による、記録された皮質信号の1つ以上のパラメータと患者の瞬間的な生態学的気分評価(EMA)データから計算された気分指数との間の相関関係を評価する方法のステップを示す概略的なフローチャートである図7を参照されたい。
テスト方法は、1つ以上の皮質領域からの皮質信号を感知および記録することを含む(ステップ320)。感知される皮質領域は、右DLPFCおよび/または左DLPFCおよび/またはPFCの任意の他の選択された領域を含んでもよい。
システムは、患者からEMAデータおよび/または(例えば、1つ以上の補助センサ15のいずれかによって感知されたバイオマーカなどの)他のバイオマーカデータを受信して記録し、EMAデータおよび/または他のバイオマーカデータから気分指数を計算する(ステップ322)。
次に、システムは、記録された皮質信号および気分指数を処理および分析して、皮質信号の1つ以上のパラメータと計算された気分指数との間の1つ以上の正の相関を検出してもよい(ステップ324)。
次に、システムは、検出された正の相関から、うつ病の1つ以上のバイオマーカとして使用するのに適した皮質信号の1つ以上のパラメータを決定する(ステップ326)。
抗うつ治療処置を提供するために単一のタイプの刺激パラダイムを使用することが可能であるかもしれないが、方法のいくつかの実施形態では、システムは抗うつ治療処置として段階的な刺激パラダイムを提供してもよいことに留意されたい。
ここで、本願の方法のいくつかの実施形態による、感知された皮質活動および患者の瞬間的な生態学的気分評価データを処理することによって、患者に段階的脳刺激療法を提供するための方法のステップを例示する概略フローチャートである図8A〜8Bを参照されたい。
システムは、パラメータCの値をゼロに設定することから始めてもよい(ステップ340)。次に、システムは、気分評価要求を患者に提示する(ステップ342)。この要求は、患者がうつ病であるかどうか、およびうつ病の程度についての患者の主観的な感覚を表す気分の自己評価を提供するように患者に求める、携帯電話70またはラップトップ9上の画面の形態であってもよい。例えば、方法のいくつかの実施形態では、患者は、番号10が最も深刻な抑うつ状態を示し、番号1が全く抑うつ状態ではない気分を示す、1から10の範囲の番号を入力してもよい。
次に、システムは、要求に対する患者の応答が受信されたかどうかをチェックする(ステップ344)。患者の応答が(割り当てられた応答期間(例えば2分)内に)受信されなかった場合、システムは制御をステップ342に戻し、要求を再度提示する。患者の応答が割り当てられた応答期間内にタイムリーに受信された場合、システムは、受信された自己評価された気分指数の値を計算および保存し、変調指数MI、EMAデータ、および患者の自己評価値に基づいてMXの値をパラメータMI1に計算する(ステップ346)。予め設定された時間(例えば、2時間)の後、システムは患者に別の気分評価要求を提示する(ステップ348)。次に、システムは、患者の応答が割り当てられた応答期間内に受信されたかどうかをチェックする(ステップ350)。患者の応答が割り当てられた応答期間内に受信されなかった場合、システムは制御をステップ348に戻し、要求を再度提示する。患者の応答を受信した場合、システムは、次に、変調指数MI、EMAデータ、および患者の新しい自己評価値に基づいてMXの値を計算し、計算されたMXの値をパラメータMI2に格納する(ステップ352)。
次に、システムは、MI2がMI1以上であるかどうかをチェックする(ステップ354)。MI2がMI1以上である場合、システムは、MI2の値をMI1に格納し(ステップ358)、MI2の値をゼロに設定し(ステップ360)、制御をステップ348に移す。MI2がMI1に等しい場合、N個の段階的刺激パラダイムを含むルックアップテーブル(LUT)から刺激パラダイムCを選択し、刺激パラダイムCを使用して皮質刺激を開始する(ステップ356)。システムは、ログが取られた刺激履歴情報を世話人に提供するために、MI1,MI2,Cの値をメモリに記録する(ステップ362)。次に、システムは、パラメータCがNに等しいかどうかをチェックする。CがNに等しい場合、システムは刺激を終了し(ステップ366)、任意選択で、患者および/または世話人に警告信号(視覚的または可聴的、例えば、携帯電話70またはラップトップ9上の可聴音または警告画面)を提示してもよい(ステップ367)。
CがNに等しくない場合、システムは、Cの値をC+1に設定し(ステップ368)、ステップ358に制御を移す。
本願の方法では、操作に先立って、システム上で動作するプログラムは、抑うつ気分の治療における様々な異なる刺激パラダイムの有効性を評価するテスト期間で決定された、うつ病を治療するための段階的に増大する有効性を有するN個の刺激パラダイムを含むLUTをロードしてもよい。例えば、刺激パラダイムが、刺激された皮質領域に超閾値刺激パルスの列を送達することを備える場合、段階化は、異なる刺激パラダイムに対して増加するパルス周波数を使用することによって実行されてもよい。いくつかの実施形態では、刺激が送達される電極の数および位置が変更されてもよく、インプラントが、以下に開示される(および図12〜17に図示されている)システム140および160のような深部脳構造の刺激を可能にするいくつかの実施形態では、段階化された有効性刺激パラダイムは、刺激される皮質領域および/または刺激される深部脳構造を変更することによって達成されてもよい。例えば、右DLPFCを刺激することが、右DLPFCおよび前帯状皮質を刺激することよりも効果が低く、左DLPFCの腹側尾状核を刺激することが抑うつ気分を治療するのにさらに効果的であることがテスト期間に実験的に見出された場合、患者の気分の重症度の増加に応じて、段階的効力刺激パラダイムを送達するために、そのような異なる刺激パラダイムを使用することが可能であるかもしれない。そのような段階化方法の任意の適切な組み合わせおよび/または部分的な組み合わせが方法において使用されてもよい。例えば、刺激パルス周波数を変更することと組み合わせて、および/または刺激される領域の特定の組み合わせを変更することと組み合わせて、刺激電極の数および位置を変更することが可能であってもよい。
このような方法では、いくつかの実施形態では、システムは最も効果の低い刺激パラダイム(C=0)から開始し、気分の重症度の軽減が検出されない場合、システムは、最も効果的な刺激パラダイムが使用されるまで、より効果的な刺激パラダイムを連続的に使用し、その時点で、システムは刺激を停止し、患者および/または介護者に通知する。あるいは、最も効果的な刺激パラダイムが、抑うつ性気分の重症度をうまく減少させることなく使用された場合、システムは(任意選択で)CをリセットしてC=0にして、段階的刺激の新しいサイクルを開始することができる(図8A〜8Bには示されていない)。
本明細書で説明したように、変調指数MIは、複数の異なる周波数帯域におけるスペクトルパワーを使用して計算されてもよいが、これは必須ではなく、いくつかの方法は、単一の選択された周波数帯域におけるスペクトルパワーのみを使用してもよいことに留意されたい。
ここで、本願の方法のいくつかの実施形態による、感知された皮質信号のガンマ周波数帯域(Pγ)でのパワーの値と患者の瞬間的な生態学的気分評価(EMA)データを使用して、患者に脳刺激療法を提供するための方法のステップを例示する概略フローチャートである図9A〜9Bを参照されたい。
図9A〜9Bの方法では、次に、システムは、気分評価要求を患者に提示する(ステップ370)。この要求は、患者がうつ病であるかどうか、およびうつ病の程度についての患者の主観的な感覚を表す気分の自己評価を提供するように患者に求める、携帯電話70またはラップトップ9上の画面の形態であってもよい。例えば、方法のいくつかの実施形態では、患者は、番号10が最も深刻な抑うつ状態を示し、番号1が全く抑うつ状態ではない気分を示す、1から10の範囲の番号を入力してもよい。
次に、システムは、要求に対する患者の応答が受信されたかどうかをチェックする(ステップ372)。患者からの応答が(割り当てられた応答期間(例えば、3分)内に)受信されなかった場合、システムは制御をステップ370に戻し、要求を再度提示する。患者の応答が割り当てられた応答期間内にタイムリーに受信された場合、システムは、受信された自己評価された気分指数の値を計算および保存し、変調指数MI、EMAデータ、および患者の自己評価値に基づいてMXの値をパラメータMI1に計算する(ステップ374)。あらかじめ設定された期間(例えば、1時間)の後、システムは、別の気分評価要求を患者に提示する(ステップ376)。次に、システムは、患者の応答が割り当てられた応答期間内に受信されたかどうかをチェックする(ステップ378)。患者の応答が割り当てられた応答時間内に受信されなかった場合、システムは制御をステップ376に戻し、要求を再度提示する。患者の応答を受信した場合、システムは、変調指数MI、EMAデータ、および患者の新しい自己評価値に基づいてMXの値を計算し、計算されたMXの値をパラメータMI2に格納する(ステップ380)。
次に、システムは、MI2がMI1以上であるかどうかをチェックする(ステップ382)。MI2がMI1以上である場合、システムは、MI2の値をMI1に格納し(ステップ384)、MI2の値をゼロに設定し(ステップ386)、制御をステップ376に移す。MI2がMI1に等しい場合、システムは、1つ以上の皮質領域の信号を感知し(ステップ388)、記録された皮質信号の高速フーリエ変換(FFT)を実行し(ステップ390)、得られたパワースペクトルからガンマ周波数帯域Pγにおけるパワーを計算する(ステップ392)。次に、システムは、Pγが閾値以下であるかどうかをチェックする(ステップ394)。閾値は、Pγの値をEMAデータと相関させてテスト期間中に決定された予め設定された閾値であってもよいし、および/または患者から受信した気分の自己評価であってもよい。
Pγが閾値以下である場合、システムは標的脳領域の刺激を開始し(ステップ396)、制御をステップ384に移す。刺激のための標的脳領域は、本明細書に開示されているように、本願に開示されている皮質領域および/または本願に開示されている深部脳構造のいずれか、および/またはそれらの任意の組み合わせまたは部分的な組み合わせから選択されてもよい。Pγが閾値より大きい場合、システムは、制御をステップ388に移して、皮質信号の感知を継続する。
ここで、本願の方法のいくつかの実施形態に従う、皮質信号、EMAデータ、および追加のセンサデータの処理に応じて患者に段階的刺激療法を提供するための方法の概略フローチャートである図10を参照されたい。
システムは、次のパラメータK=1およびN=nの値を設定することによって開始し、ここで、Kはカウンタパラメータであり、nは利用可能な刺激レジームSRの数である(ステップ400)。次に、システムは、刺激レジームSRを開始する(ステップ404)。次に、システムは、皮質信号およびEMAデータ、および(任意選択で)システムの1つ以上の補助センサ15のいずれかから受信した1つ以上のセンサのデータを受信する(ステップ406)。次に、システムは、現在利用可能な皮質信号から、並びにEMAデータおよび/または(任意選択で)1つ以上のセンサのデータから、気分指数MXの現在値を計算する。次に、システムは、MXがT以下であるかどうかをチェックする(ここで、Tは、経験的に許容可能な閾値を見つけることを目的とした適切なシステムテスト期間に決定された閾値であり、その上で刺激を増加させるべきである)。
MXがTより大きい場合、システムはステップ406に制御を移す。システムは、最も効果的な刺激レジームが使用されたことを示すK=nであるかどうかをチェックし、システムは、患者へのアラーム信号を開始し、(本明細書に詳細に記載されているような音声信号または視覚信号を使用して)世話人および/または患者に報告し(ステップ414)、カウンタKの値をK=1に設定し(ステップ416)、刺激レジームSR=SRを使用して刺激を継続するために、制御をステップ404に移す。K≠nであれば、K=K+1に設定し(ステップ418)、制御をステップ404に戻す。
この方法では、本明細書に開示されているように、適切なLUTに格納されていてもよいn個の刺激レジームがあり、刺激レジームSRKは、nが増加するにつれて抑うつ気分を治療する効率が増加する順に配置される(ここで、nは整数である)。したがって、SR、SR2、SR,...,SRnは、抑うつ気分の治療としての効果が増加する順に配置される。
刺激レジームは、本明細書に開示されているような異なる刺激パラダイムのいずれであってもよい。
ここで、本願の方法のいくつかの実施形態による、皮質信号、EMAデータ、および追加のセンサデータの処理に応じて患者に間欠的な脳刺激療法を提供するための方法の概略的なフローチャートである図11を参照されたい。
システムは、開始して、皮質信号、EMAデータ、および(任意選択で)システムの1つ以上の補助センサ15から受信した1つ以上のセンサのデータを受信および処理する(ステップ420)。次に、システムは、感知された皮質信号、EMAデータ、および(任意選択で)1つ以上のセンサのデータから計算される気分指数MXの現在値を計算する(ステップ422)。次に、システムは、MXがT以下であるかどうかをチェックし、ここで、Tは、本明細書で説明されるあらかじめ定められた閾値である(ステップ424)。MXがTより大きい場合、システムは、ステップ420に制御を移す。MXがT以下である場合、システムは、治療的刺激期間を開始する(ステップ426)。この期間は、(個々の患者に対して実施された予備テスト期間において)抑うつ気分に対する治療効果を有するのに十分であることが経験的に見出され得る任意の適切な期間であってもよい。そのような治療的刺激期間は、特に、送達される刺激の種類、刺激される脳領域、および他の刺激パラメータに依存して、数分から数時間の範囲であってもよい。
刺激が実行されている間、システムは、MTがTより大きいかどうかをチェックする(ステップ428)。MTがTより大きい場合、システムは刺激を終了し(ステップ432)、制御をステップ420に移す。MTがT以下である場合、システムは、治療的刺激期間が終了したかどうかをチェックする(ステップ430)。治療的刺激期間が終了していない場合、システムは、(刺激を継続しながら)制御をステップ426に戻す。治療的刺激期間が終了した場合、システムは、刺激を終了し(ステップ432)、制御をステップ428に戻し、制御をステップ420に戻す。
図11の方法は、常に(方法の動作を開始する前に世話人によってプログラムされてもよい)同一の刺激タイプを使用することに留意されたい。刺激のタイプは、1つ以上の刺激標的の任意の適切な組み合わせで本明細書に開示されている刺激タイプのいずれであってもよいが、ステップ428でMTがTより大きい状態の検出により治療的刺激期間の終了前に終了する場合を除いて、プログラムまたは方法の動作中に変更または変更されることはない。
本願のシステムは、(例えば、左および/または右のDLPFCのような)皮質領域を刺激することに限定されないことに留意されたい。いくつかの実施形態では、気分障害を治療するための治療的刺激の一部として、深部脳構造も刺激してもよい。
ここで、図12〜15を参照する。図12は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、皮質および/または深部脳構造の経頭蓋周波数干渉刺激を実行するための頭皮電極と、1つ以上の皮質領域を感知および/または刺激するための頭蓋内に移植されたECOG電極アレイとを含む、気分障害を治療するためのシステムを例示する概略ブロック図である。図13は、図12のシステムの頭蓋内部分の機能的構成要素を図示する概略ブロック図である。図14は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、1つ以上の皮質領域で感知を実行し、1つ以上の深部脳構造の経頭蓋周波数干渉刺激(TFIS)および/または1つ以上の皮質領域の直接刺激を実行するための複数の頭蓋内ECOGアレイを有する気分障害を治療するためのシステムを例示する概略図である。図15は、図14のシステムに含まれる機能的構成要素を示す概略機能ブロック図である。
図12に目を向けると、システム140は、互いに無線で通信している頭蓋外モジュール141および頭蓋内モジュール135を含む。頭蓋外モジュール141はまた、メモリ/データストレージデバイス116に好適に結合された1つ以上の1つ以上のプロセッサ/コントローラ114を含む。頭蓋外モジュール141は、また、頭蓋外モジュール141の構成要素に通電するための電源143を含む。刺激生成器118は、好適には、ユーザの頭部4の皮膚の表面で4つの異なる位置に取り付けられた4つの刺激電極145A,145B,147A,147Bに電気的に接続されている。刺激電極145A,145B,147A,147Bは、(例えば、任意のEEG電極ゲルまたはペーストなどの)任意の適切な電気的に導電性のゲルまたはペーストを用いて、頭部4の皮膚の表面に電気的に結合されてもよい。刺激電極145A,145B,147A,147Bは、それぞれ、適切な電気的に導通する絶縁リード139A,139B,137A,137Bによって刺激生成器118に接続されている。第1の周波数fの第1の刺激電流が刺激生成器118によって第1の電極対145A,145Bに印加されてもよく、第2の周波数f+Δfの第2の刺激電流が刺激生成器118によって第2の電極対147A,147Bに印加されてもよい。2つの周波数fおよびf+Δfは共に、神経発火をリクルートするには高すぎる周波数範囲(例えば、fおよびf+Δf≧1Khz)にある。刺激生成器118は、刺激生成器118の動作を制御する1つ以上のプロセッサ/コントローラ114に好適に電気的に接続されている。
第1の電極対145A,145Bおよび第2の電極対147A,147Bを介した2つの異なる周波数での同時刺激によって生成された2つの異なる発振電界の干渉のために、電界間の干渉が差周波数Δfで変調された突出した電界エンベロープをもたらす定義された領域に位置する深部脳構造において、選択的な神経細胞の活性化が達成される可能性がある。
この選択的刺激方法は、経頭蓋干渉(TI)刺激と呼ばれ、以下に参照されるGrossman N.et al.の論文に詳細に記載されており、本願の全体を通して、非侵襲的時間干渉刺激(NTIS)とも互換的に呼ばれる。ユーザまたは患者の頭部4上の電極の正確な位置および刺激強度および周波数は、特に、(異なる年齢の異なるユーザの間で著しく変化する可能性がある)刺激される1つ以上の深部脳構造の脳内の位置、頭蓋骨の骨の厚さおよび他の物理的および電気的パラメータによって決定されてもよく、個々のユーザ/患者の適切なテストによって経験的に決定されてもよい。
NTISにおけるニューロンリクルート領域の大きさおよび形状は、刺激電極145A,145B,147A,147Bの位置、および/または刺激周波数および強度(振幅)パラメータを調整または変化させることによって変化させることができるので、Grossman et al.によって詳細に開示されているように、ニューロンリクルート領域の大きさ、形状および位置を適切に変化させることによって、1つの深部脳構造または複数の深部脳構造を刺激することが可能である。
システム140は、図1のシステム10を参照して詳細に開示されているように、1つ以上の補助センサ15を含んでもよい。1つ以上の補助センサ15は、(例えば、携帯電話70および/またはラップトップ9および/またはARヘッドセット11といった)1つ以上の無線通信デバイス100と無線通信してもよい。
頭蓋外モジュール141はまた、頭蓋内モジュール135と双方向に通信するために1つ以上のプロセッサ/コントローラ114に好適に接続されたテレメトリユニット117を含む。任意選択で、テレメトリユニット117はまた、(例えば、携帯電話70および/またはラップトップ9および/またはARヘッドセット11といった)携帯型通信デバイス100と双方向に通信してもよい。頭蓋外モジュール141および頭蓋内モジュール135(および任意に、1つ以上の携帯型通信デバイス100)は、データ、制御信号、および状態信号をそこで遠隔測定的に交換してもよい。
頭蓋内モジュール135は、本明細書でより詳細に開示されているように、頭蓋内に移植された電子回路モジュール152と、電子回路モジュール152に適切に電気的に接続された2つのEcog電極アレイ144および146と、電子回路モジュール152に適切に電気的に結合され、電子回路モジュール152に電力を供給するための(図1の誘導コイル16に類似していてもよい)頭蓋内誘導コイル146とを含んでもよい。Ecogアレイ142は、図12に図示されているように、左DLPFC上に配置されてもよく、Ecogアレイ144は、右DLPFC上に配置されてもよい。(皮質半球は、図示の明確化のために、図12には詳細には示されていない。)
図13に目を向けると、電子回路モジュール152は、1つ以上のプロセッサ/コントローラ124と、頭蓋内誘導コイル146に電気的に結合された電力調節およびストレージユニット177と、1つ以上のプロセッサ/コントローラ124に好適に電気的に結合されたテレメトリユニット17と、1つ以上のプロセッサ/コントローラ124に好適に電気的に結合されたメモリ/データストレージユニット16と、Ecogアレイ142,144の電極から感知された信号を受信するためにEcogアレイ142,144に電気的に結合された1つ以上の信号調節およびデジタイジングユニット126と、を含む。1つ以上の調節およびデジタイジングユニット126はまた、デジタル化された感知されたEcog信号のデータを1つ以上のプロセッサ/コントローラ126に提供するために、1つ以上のプロセッサ/コントローラ126に接続されている。
テレメトリユニット17は、頭蓋外モジュール141のテレメトリユニット117と双方向に通信してもよく、これにより、プロセッサ/コントローラ114と1つ以上のプロセッサ/コントローラ124との間でデータ、制御信号、および状態信号の双方向の無線伝達を可能にする。
電力調節およびストレージユニット177は、患者の頭部4の頭皮上に配置されてもよい、頭蓋外に配置された第2誘導コイル(図示を明確にするために、図12〜13には示されていないが、例えば、図1の誘導コイル19を参照されたい)によって頭蓋内誘導コイル146内に誘導された電流を調節するための(図12には詳細には示されていない)適切な回路を含んでいてもよいことに留意されたい。このような頭蓋外に配置された第2の誘導コイル内を流れる交流は、頭蓋内の第1の誘導コイル内に交流を誘導する。頭蓋内誘導コイル146内を流れる交流は、電力調節およびストレージユニット177に含まれる適切な電流整流ダイオードブリッジ回路(図示せず)によって整流されてもよく、電力調節およびストレージユニット177に含まれる、例えば、スーパーキャパシタ、キャパシタ、または再充電可能な化学電池といった、任意の適切な電荷蓄積デバイス(図示せず)によって蓄積されてもよい。
電力調節およびストレージユニット177は、電子回路モジュール152のいずれかの電流を必要とする電気的構成要素に通電するために使用される。電子回路モジュール152の構成要素に電力を供給する電気的接続は、図示を明確にするために、図12〜13には示されていないことに留意されたい。
動作時に、システム140は、気分障害を治療するための治療的刺激を提供するために、本願に開示された方法のいずれかを使用してもよい。例えば、Ecogアレイ142および144は、左DLPFCおよび/または右DLPFCからの信号をそれぞれ感知してもよく、感知された信号は、1つ以上の信号調節およびデジタイジングユニット126によって調節(増幅および/またはフィルタリング)されてデジタル化され、(本願に開示されている処理方法のいずれかによる)処理のために1つ以上のプロセッサ/コントローラ124に供給されてもよい。患者が抑うつ状態であることをシステム140の1つ以上のプロセッサ/コントローラ124が検出した場合、システム140は、患者が抑うつ状態であることを検出する。システム140は、電極145A,145B,147A,147Bおよび刺激生成器118を使用して、本明細書に開示されているようなNTIS法を使用して、1つ以上の深部脳構造を刺激するために、頭蓋外モジュール141を使用してもよい。本願に開示された1つ以上の深層脳構造のいずれかは、次に、患者の抑うつ気分を治療するために、頭蓋外モジュール141を使用して刺激されてもよい。代替的および/または追加で、Ecogアレイ142および144のいずれかが、それぞれ左DLPFCおよび/または右DLPFCに皮質刺激を送達するために、並びに/或いは、左DLPFCおよび右DLPFCの両方に皮質刺激を送達するために、システム140によって使用されてもよい。
(例えば、Ecogアレイ142のような)左DLPFCを感知/刺激するための感知/刺激デバイスと(例えば、Ecogアレイ144のような)右DLPFCを感知/刺激するための別の感知/刺激デバイスとを有することは、右DLPFCに送達される刺激のsTMS様周波数と、左DLPFCに送達される刺激のrTMS様周波数とを同時に機械学習によって最適化することを可能にし、これは両方ともうつ病を治療するための独立した有効性を有しうる。本明細書に開示されるシステムは、左および/または右DLPFCにおける感知および刺激のための頭蓋内に移植されたECOGアレイの使用に限定されず、他のタイプのより侵襲性のまたはより侵襲性でない刺激/感知デバイスが使用されてもよいことに留意されたい。例えば、(図1のインプラント20のようなものであるが、これに限定されない)2つの頭蓋冠内インプラントが、左および右DLPFCを覆う頭蓋冠骨に移植されてもよく、それぞれ、左および右DLPFCを感知および刺激するために使用されてもよい。使用可能な他のタイプの感知/刺激デバイスは、特に、メッシュタイプの注入可能な電子機器、神経ダスト、およびステントロードタイプの電極アレイを含んでもよい。
本願の気分障害を治療するためのシステムにおいて使用可能な、そのような多様なタイプの電極および電極アレイ、ならびにそれらに関連する電子回路の構築および使用のための方法は、特に、特許文献1および非特許文献4−27のいくつかに詳細に記載されている。
システム140は、1つ以上の深部脳構造を非侵襲的に刺激するためのNTISと、例えば、Ecog電極アレイ142および144(または、例えば、Ecog電極アレイ142および144(または、大脳皮質の表面を貫通する可能性のある電極を有するUTAH電極アレイのような他のタイプの電極アレイ)といった、1つ以上の侵襲性電極セットと、を使用するが、この例示的な構成は、本明細書に開示された方法を実施するために必須のものではない。NTISにおける刺激電極の非侵襲性は、刺激手順を単純化するが、(モジュール141が大型の静的モジュールである場合、)ユーザは、頭蓋外モジュール141にテザリングされなければならない、または、モジュール141を携帯しなければならない(または、モジュール141をユーザによって携帯可能な小型軽量モジュールとして実装されている場合には、モジュール141を装着しなければならない)かもしれない。さらに、NTISを実行するために頭蓋外電極を使用することは、ユーザにとって不便であるかもしれず、目に見えて審美的でないかもしれず、また、不注意な電極の動き、または皮膚に対するそのような頭蓋外刺激電極の電気的結合特性の望ましくない変化を避けるために、頻繁なメンテナンスおよびケアを必要とするかもしれない。
図14〜15に目を向けると、システム160のすべての構成要素は、患者の外側に配置される1つ以上の携帯型通信デバイスユニット100(例えば、携帯電話70および/またはラップトップ9、および/またはARヘッドセット11)と、上述の本明細書に詳細に開示されているように、患者に取り付けられてもよい、または患者の体内に移植されてもよい、または患者によって着用されてもよい1つ以上の補助センサ15の一部または全部と、を除いて、頭蓋内に配置されている。1つ以上の携帯型通信デバイス100は、図1のシステム10に関して本明細書で詳細に開示されているように、クラウド31に無線で接続され、(図13には図示されていない)クラウド31内のリモートプロセッサとデータおよび/または制御信号/コマンドを交換してもよい。
システム160は、頭蓋内に移植された電子モジュール162と、電子モジュール162に電気的に接続された3つの頭蓋内に移植されたEcog電極アレイ164,166,168と、電子モジュール162に電気的に接続された頭蓋内誘導コイル146と、を含んでもよい。Ecog電極アレイ168は、DLPFC上に、またはPFCの一部または部分上に配置されてもよい。システム160のいくつかの実施形態によれば、Ecog電極アレイ168は、図14に図示されるように、感知および/または刺激のためのEcog電極アレイ168の個々の電極168Aの適切な選択による左DLPFCおよび/または右DLPFCのいずれかの選択的な感知および/または選択的な刺激を可能にするように、両方の皮質半球のPFC領域上に配置されてもよい。
代替的に、システム160のいくつかの実施形態によれば、Ecog電極アレイ168は、(右DLPFCの感知および/または刺激のために)右皮質半球内のPFCまたはその一部に配置されてもよい。あるいは、システム160の他の実施形態によれば、Ecog電極アレイ168は、(左DLPFCの感知および/または刺激のために)左皮質半球内のPFCまたはその一部上に配置されてもよい。
いくつかの実施形態では、Ecog電極アレイ164は、左皮質半球上または左皮質半球の一部に配置されてもよく、Ecog電極アレイ166は、右皮質半球上または右皮質半球の一部に配置されてもよい。
次に、図15に目を向けると、システム160は、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14と、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に好適に接続されたメモリ/データストレージ16と、データおよび/または制御信号を(患者の身体の外側に配置されている)1つ以上の携帯型通信デバイス100に無線で送信するために1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に好適に接続された1つ以上のテレメトリユニット17と、を含んでもよい。システム160は、また、(図1の誘導コイル16に関して詳細に開示されているように)誘導コイル146からの交流を受け取るために誘導コイル146に適切に電気的に接続されている電力調節およびストレージユニット177を含んでもよい。電力調節およびストレージユニット177の構造および動作は、図13の電力調節およびストレージユニット177に関して詳細に開示されている通りである。
システム160は、また、好適には1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に接続され、それにより制御される刺激生成モジュール170を含んでもよい。刺激生成モジュール170は、深部脳構造の刺激に必要な異なる周波数を提供するのに適した直接皮質刺激生成器172および周波数干渉刺激生成器174を含む。システム160は、また、1つ以上の多重化ユニット176を含んでもよい。1つ以上の多重化ユニット176は、周波数干渉刺激生成器174からの刺激の深層脳構造への送達を制御し、皮質刺激生成器172からEcog電極アレイ164,166,168への選択された電極への直接皮質刺激の送達を制御するために、刺激生成モジュール170および1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に好適に接続されている。
システム160はまた、図13に関して本明細書で詳細に開示されているように、Ecogセンサアレイ164,166,168に含まれる電極から受信した信号を調節するために、Ecogセンサアレイ164,166,168に適切に電気的に接続された1つ以上の感知信号調節およびデジタイジングユニット126を含んでもよい。
電力調節およびストレージユニット177は、電子モジュール162の動作のために電力を提供してもよい。しかしながら、電子モジュール162の様々な構成要素に電力を提供する接続は、図示を明確にするために、図15では詳細には示されていない。
1つ以上の携帯型通信デバイス100は、(例えば、図14の携帯電話70および/またはラップトップ9および/またはARヘッドセット11といった)電子モジュール162のテレメトリユニット17、または図1のシステム10に関して本明細書で詳細に開示されているような処理および制御および無線通信構成要素を含む任意の他のハンドヘルドまたは携帯型デバイスと遠隔測定的に通信することができる任意の適切な1つ以上の通信デバイスであってもよい。
動作時に、システム160は、Ecog電極アレイ164、166および168のうちの1つ以上を使用すること(例えば、患者の左DLPFCおよび/または右DLPFCにおいて電極アレイ168を感知することなど)によって、ユーザの1つ以上の皮質領域からの電気信号を感知してもよい。感知された信号は、次いで(例えば、任意選択で、フィルタリングおよび増幅されることなどによって)調節され、1つ以上の感知信号調節およびデジタイジングユニット126によってデジタル化され、処理のために(本願に開示されている処理方法のいずれかにより)1つ以上のプロセッサ/コントローラ14に供給されてもよい。感知された信号の処理に基づいて、EMAデータに基づいて、および(任意選択で)1つ以上の補助センサ15からのデータに基づいて、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14が抑うつ気分を検出した場合、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14は、以下のように、1つ以上の深層脳構造を刺激するように刺激生成モジュール170を制御してもよい。1つ以上のプロセッサ/コントローラユニット14は、Ecog電極アレイ164の2つの間隔をあけた電極164Aおよび164BとEcog電極アレイ166の2つの間隔をあけた電極166Aおよび166Bとを選択するように1つ以上の多重化ユニット176を制御してもよい。電極が選択された後、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14は、周波数干渉刺激生成器174を制御して、電極対164A,164B間に発振周波数fを有する発振電流または電圧を印加し、同時に発振周波数f+Δfを有する発振電流または電圧信号を印加する。2つの周波数fとf+Δfとは、1KHzよりも大きくてもよいし、1KHzに等しくてもよい。
この刺激の時間干渉法は、本明細書に記載されているGrossman et al.のNTIS法に多少類似しているが、同一ではないが、特定の側面においてNTIS法とは異なる。2つの方法の間の第1の相違点は、NTIS法が非侵襲的深層脳刺激を達成するために頭蓋外非侵襲刺激電極を使用するのに対し、本明細書に記載された(システム160に関する)他の方法は、1つ以上の深層脳構造を刺激するために(頭蓋内に移植されたEcog電極アレイまたは他の頭蓋内電極アレイの)頭蓋内刺激電極を使用することである。本明細書に開示された頭蓋内刺激電極を使用する方法をNTIS法と明確に区別するために、本願全体を通して第2の方法を頭蓋内時間干渉刺激(ICTIS)と称する。
NTISとICTISとの間の別の有利な違いは、NTISでは頭蓋外電極が頭部の同じ場所に固定されたままであるが、単にEcog電極アレイのいずれかから異なる電極対を刺激電極対として選択し、2つの異なる干渉発振周波数を刺激電極対の任意の所望の構成に送達するように1つ以上の多重化ユニット176を制御することによって、使用される刺激電極が非常に迅速に変更されてもよいということである。この利点は、脳内に形成されたニューロンリクルート焦点領域のサイズ、形状、および位置の改善された制御および変調を可能にし得る。
さらに、システム160の構成は、Ecog電極アレイ164の任意の所望の電極番号および電極構成を有する2つの異なる電極グループの対に周波数fを有する刺激振動を印加し、同時にEcog電極アレイ166から選択された任意の所望の電極番号および電極構成を有する2つの異なる電極グループの別の対に周波数f+Δfを有する刺激振動を印加することにより、間隔をあけて配置された電極グループの任意の選択された組み合わせに振動刺激信号を渡すことによって、刺激電極をほぼ瞬時に変化させることができるので、刺激の追加制御を可能にする。刺激電極の各対内でのこの電極グループ化変動方法は、静的に固定されたサイズの刺激電極対を特徴とするNTIS法と比較して、ニューロンリクルートエンベロープ領域のパラメータをはるかに細かく制御することを可能にする可能性がある。
さらに、ICTIS法の別の利点は、電極グループの対または単一電極の対の構成および位置が、異なる位置に配置された刺激グループの対または異なる位置に配置された単一電極の対の間で急速に交替されてもよく、これにより、ニューロンリクルート領域の位置および/またはサイズおよび/または形状の急速な交替変化を可能にし、その結果、ユーザの脳内で異なる位置に配置された深部脳構造の交替刺激が行われてもよいことである。この変化は、必要に応じて深層脳構造のより細かい時間的制御を達成するためにも有用であり得る(これは、本明細書に開示された指示の検出に続いて、異なる時間に異なる深層脳構造を刺激することが可能であり得ることを意味する)。
システム160の別の特徴は、NTISまたはICTISによる脳深部構造の刺激だけでなく、任意の選択された電極(または電極ペア、または電極グループ)に(例えば、パルスまたは刺激パルス列などの)刺激信号を直接印加することによって、いくつかの皮質領域の選択された領域を刺激することを可能にし得ることである。例えば、1つ以上のプロセッサ/コントローラ14は、Ecog電極アレイ164,166の下にある任意の所望の皮質領域に、および/またはEcog電極アレイ168の電極を介してDLPFCまたはその一部に、または右DLPFCと左DLPFCとEcog電極アレイ164,166の下にある他の皮質領域との任意の選択された組み合わせに直接刺激を送達するように、1つ以上の多重化ユニット176および直接皮質刺激生成器172を制御してもよい。
さらに、適切な多重化制御を使用することにより、例えば、1つ以上の深部脳構造および(例えば、左および右DLPFCなどの)1つ以上の皮質領域の同時刺激、1つ以上の異なる皮質領域のみ(例えば、右DLPFCおよび左DLPFC)の同時刺激、(ICTISによる)単一の深部脳構造の刺激、Ecog電極アレイ164、166および168のうちの選択された1つを介した直接刺激による単一の皮質領域またはその一部の刺激を含む、いくつかのタイプの刺激レジームを実行することが可能であってもよい。このような刺激レジーム/方法の任意の組み合わせおよび順列が実行されてもよい。
深部脳構造刺激および1つ以上の皮質領域の直接刺激の任意の選択された組み合わせの刺激のためにNTIS上のICTISを使用する別の利点は、電極が電気的に導電性ゲルまたはペーストで頭皮に結合されているNTISでは、刺激電極の偶発的な滑りまたは外れのために、刺激電極を長時間にわたって頭皮上の全く同じ位置に維持することは非常に困難であるかもしれないが、(Ecogアレイまたは他の頭蓋内アレイのような)頭蓋内に移植された電極アレイを使用することによって、この問題は、頭蓋内電極アレイの内部配置により少なくとも部分的に緩和されうる。さらに、刺激電極を患者の頭皮に電気的に結合するために使用されるカップリングゲルまたはペーストの乾燥による頭皮電極インピーダンスの望ましくない変化を伴うNTISの問題は、ICTISで使用されるEcogアレイの頭蓋内配置によって解決されるかもしれない。
本願のシステムのいくつかの実施形態では、(例えば、Ecogアレイ144、142、164、166、および168のような)頭蓋内電極アレイは、頭蓋冠骨13の内板6を破断することなく、または完全に貫通することなく、半侵襲的に頭蓋冠骨の内側に移植される適切な頭蓋冠内(IC)インプラントに置き換えられてもよいことに、さらに留意されたい。このようなICインプラントを使用することの利点は、患者に対する合併症のリスクの低減、おそらくは、入院を必要とせず、患者の心的外傷がより少ない外来の日帰り診療所で実行できる、はるかに単純で低コストの移植手順、を含みうる。ICTISにおける深部脳構造刺激のために、またはICインプラント20のために本明細書に詳細に開示されているような皮質領域感知/刺激のために使用されるようなICインプラントは、有利には、(図5のICインプラント20についてわかるように)頭蓋骨13の外板5へのICインプラントの固定に起因する電極安定性の増加をもたらすことが可能であり、ICインプラントの刺激電極の下にある組織の質量を減少させて(NTISで使用される頭皮電極と比較して)必要な刺激電流を減少させ、移植手順を大幅に単純化および短縮し、患者の不便を軽減し、入院時間を短縮または排除することができる。
本願のシステムにおいて使用可能なICインプラントは、皮質領域を感知および刺激するように構成されたICインプラント20と類似していてもよいが、深部脳構造刺激および/または皮質領域の感知/刺激を送達するように特別に構成された別のICインプラントであってもよい。
ここで、図16〜17を参照されたい。図16は、本願の頭蓋冠骨内インプラントの実施形態による、頭蓋骨の頭蓋冠骨に移植され、患者の脳に深部脳構造刺激を送達するのに適した、移植された頭蓋冠内インプラントを備えたヒトの頭蓋骨を図示する概略的な等角図である。図17は、図16に示された頭蓋骨の上面図である。
図16〜17は、図示されたICインプラント180を使用してもよいシステムの他の構成要素を示しておらず、頭蓋骨の頭蓋冠骨におけるICインプラント180およびその構成要素の位置を示すために提供されていることに留意されたい。そのようなシステムの構成要素は、図1のシステム10について開示されているように、1つ以上の携帯型通信デバイス100、1つ以上のエフェクタデバイス14、および1つ以上の補助センサ15を含んでもよい。
ICインプラント180は、ハウジング202と同様のハウジング190と4つの細長い可撓性の頭蓋冠内電極アレイ182,184,186,188とを含んでもよい。頭蓋冠内電極アレイ182は、それに沿った複数の導電性の電極182Aを有する。頭蓋冠内電極アレイ184は、それに沿った複数の導電性の電極184Aを有する。頭蓋冠内電極アレイ186は、それに沿った複数の導電性の電極186Aを有する。頭蓋冠内電極アレイ188は、それに沿って配置された複数の導電性の電極188Aを有する。ハウジング190は、本明細書のインプラント200のハウジング202について開示されたものと同様の材料で作られてもよい。
ICインプラント180が移植される場合、ハウジング190を受容するために、頭蓋冠骨13の外板5および海綿骨(ディプロー)7内に穴または開口部が穿設されてもよい。次に、4つの細長い通路(図示せず)が、4つの可撓性の細長い電極アレイ182,184,186,188を受け入れるために、内板6の平面とほぼ平行な方向に、海綿骨層7内に穿孔されてもよいし、レーザアブレーションされてもよい。好ましくは、通路は、内板6の外側表面6Bに近接して、または縁取るように形成される。可撓性の電極アレイ182,184,186,188は、次に、4つの通路に挿入されてもよく、ハウジング190は、次に、外板5の外側表面5A(図5参照)と面一になるように、上部テーブル5に穿設された開口部に挿入されてもよく、インプラント20について詳細に開示されているように、生体適合性シーラントまたは接着剤で外板5に封止および取り付けられてもよい。
ICインプラント180は、また、ハウジング190内に配置されていることを示すために破線で図示された小型化された電子モジュール191を含んでもよい。電子モジュール191は、電子モジュールのすべての構成要素がハウジング190内に収まるように小型化されていることを除いて、また、電子モジュールが電子モジュール191の1つ以上のプロセッサ/コントローラ114と細長い電極アレイ182,184,186,188それぞれのすべての電極182A,184A,186A,188Aとの間に接続された(図15の)1つ以上の多重化ユニット176をさらに含むことを除いて、図12の頭蓋外モジュール141のすべての構成要素を含んでもよい。
1つ以上の多重化ユニット176は、深部脳構造および/または皮質領域を含む脳の任意の選択された領域にICTIS刺激を送達するために、電極182A,184A,186A,188Aの任意の選択された対を電子モジュール191の刺激生成器118に接続することを可能にしてもよい。任意選択で、いくつかの実施形態では、電子モジュール191は、また、細長い電極アレイ182,184,186,188の選択された電極からの皮質信号を感知することを可能にするために、多重化ユニット176およびプロセッサ/コントローラ114に好適に接続されてもよい電子モジュール152(図13)の1つ以上の信号調節およびデジタイジングユニット126を含んでもよい。
インプラント180の電子モジュール191は、頭皮上に配置された別の誘導コイルから電力を受け取るために、本明細書中に詳細に開示されているように、適切な絶縁された導電性のワイヤ197によって誘導コイル146に好適に接続されてもよい(図示の明瞭化のために頭皮は図示されていない)。
細長い電極アレイ182,184,186,188は、ハウジング191に好適に封止して取り付けられ、電子モジュール191の1つ以上の多重化ユニット176による各電極の「アドレス指定」を可能にする(図示を明確にするために図16〜17には示されていない)複数の孤立したワイヤを含む。
深部脳構造の刺激は、本明細書に開示されたシステム140および160に関して、本明細書に開示されたのと同じ周波数干渉方法によって、電子モジュール191によって実行されてもよい。周波数fおよびf+Δfで刺激を送達するための異なる位置にある特定の電極対の選択は、必要に応じて深部脳構造の刺激の微調整を可能にしてもよく、選択された深部脳構造および(例えば、右DLPFCおよび左DLPFCといった)より表層的な皮質領域の両方を刺激することにおいて、より大きな柔軟性を可能にしてもよい。このように、ICインプラント180の使用は、感知および刺激の期間をインターレースすることによって、皮質領域の感知と深層脳構造および/または皮質領域の刺激のとの両方を可能にしてもよい。
本明細書に開示された方法およびシステムは、左および/または右DLPFC領域を特異的に刺激してもよい(1つ以上の深部脳構造の刺激と組み合わせてもよいし、組み合わせなくてもよい)が、方法およびシステムのいくつかの実施形態では、別の皮質刺激標的が使用されてもよいことに留意されたい。例えば、前頭皮質(PFC)の他の領域が皮質刺激標的であってもよい。他のPFC領域のそのような刺激は、深部脳構造の刺激と組み合わせてもよいし、組み合わせなくてもよい。
sTMSの有効性の証拠は、先行技術文献リストに引用されているKlein et al.(1999)の論文に見いだされる。
本明細書に開示されたシステムでは、1つ以上の携帯型通信デバイス100は、携帯電話70、ラップトップ9およびARヘッドセット11を 含むように例示されているが、これは本発明の実施に義務づけられるものではなく、1つ以上の通信デバイス100は、スマートフォン、タブレット、ファブレット、ノートブック、ラップトップ、携帯型コンピュータ、通信能力を有するARヘッドセット、または処理能力、通信能力および患者にコンテンツを表示する手段を有する他の類似したタイプの携帯型通信デバイスなど、任意の適切なタイプの1つ以上の携帯型通信デバイスを含むことができることに留意されたい。さらに、患者がEMA入力および患者の自己評価データを提供するための携帯電話またはスマートフォンを持っている場合、ノートパソコン9は、ログが取られた患者データおよび/または警告信号および/または患者の状態情報を世話人に提供するための、例えば、デスクトップコンピュータ、ワークステーション、またはリモートサーバまたはリモートパーソナルコンピュータといった非携帯型コンピュータで代用されてもよい。
明快さのために別個の実施形態の文脈で説明されている本発明の特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよいことが理解される。逆に、簡潔さのために、単一の実施形態の文脈で説明されている本発明の様々な特徴は、別個に、または任意の適切な部分組み合わせで、または本発明の他の説明された実施形態において適切なように提供されてもよい。様々な実施形態の文脈で説明された特定の特徴は、実施形態がそれらの要素なしでは動作しない場合を除き、それらの実施形態の本質的な特徴とはみなされない。
本明細書で詳述され添付の特許請求の範囲の請求項に記載されている本発明の様々な実施形態および態様は、続く実施例において実験的な裏付けを見いだすことができる。
本明細書で言及された(先行技術文献に付記されたリストへの参照を含む)すべての刊行物、特許、および特許出願は、個々の刊行物、特許、または特許出願が参照により本明細書に組み込まれることが具体的かつ個別に示されているのと同じ程度に、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。さらに、本願における参照の引用または特定は、そのような参照が本発明の先行技術として利用可能であることを自認するものと解釈されてはならない。セクション見出しが使用されている範囲では、それらは必ずしも限定的であると解釈されるべきではない。
また、本申請の優先権書類は、その全体が参照によりここに組み込まれる。

Claims (45)

  1. 患者の気分障害を治療するためのシステムであって、
    1つ以上の移植可能デバイスであって、それぞれが、1つ以上の皮質領域の皮質信号を感知し、脳の1つ以上の領域を刺激するための1つ以上の電極と、感知した皮質信号を受信し処理し、前記1つ以上の電極を介して1つ以上の脳領域の刺激を制御するために、前記1つ以上の電極と通信している1つ以上のプロセッサ/コントローラと、を含む、1つ以上の移植可能デバイスと、
    患者によって操作可能な少なくとも1つの携帯型通信デバイスであって、患者の瞬間的な気分を表す生態学的気分評価(EMA)データを取得するための、および前記データを前記少なくとも1つのプロセッサ/コントローラおよび/または少なくとも1つのリモートプロセッサに通信するための前記少なくとも1つの携帯型通信デバイスで動作するアプリケーションソフトウェアを有し、前記データは、前記1つ以上のプロセッサ/コントローラ、および/または前記携帯型通信デバイスに含まれるプロセッサによって、および/または少なくとも1つのリモートプロセッサによって、前記気分障害を治療するように前記1つ以上の脳領域の刺激を調節および/または制御するために処理される、少なくとも1つの携帯型通信デバイスと、
    前記1つ以上の移植可能デバイスに電力を供給するために、前記1つ以上の移植可能デバイスに電気的に適切に接続された少なくとも1つの電源と、
    を備える、システム。
  2. 前記1つ以上の移植可能デバイスは、1つ以上の頭蓋内移植可能デバイス、1つ以上の頭蓋冠内移植可能デバイス、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記1つ以上の電極は、1つ以上の頭蓋冠内電極、1つ以上の頭蓋冠内電極アレイ、1つ以上の頭蓋内電極、1つ以上の頭蓋内電極アレイ、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項1から2のいずれか一項に記載のシステム。
  4. 前記1つ以上の移植可能デバイスの少なくとも1つは、前記患者の頭蓋冠骨の内板を完全に貫通することなく、前記患者の頭蓋冠骨の外板と内板との間に配置された、頭蓋冠内電極を有する頭蓋冠内デバイスである、請求項1から3のいずれか一項に記載のシステム。
  5. 頭蓋冠内移植の前記電極の少なくとも一部は、前記頭蓋冠骨の前記内板の外側表面に接している、請求項4に記載のシステム。
  6. 周波数干渉刺激法を使用して1つ以上の脳領域を刺激するように構成された1つ以上の移植可能な周波数干渉(FI)デバイスを含む、請求項1から5のいずれか一項に記載のシステム。
  7. 前記移植可能なFIデバイスによって刺激される前記1つ以上の脳領域は、少なくとも1つの皮質領域、少なくとも1つの深部脳構造、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項6に記載のシステム。
  8. 前記少なくとも1つの皮質領域は、右背外側前頭前野皮質(RDLPFC)、左背外側前頭前野皮質(LDLPFC)、帯状皮質の1つ以上の領域、前頭前野皮質(PFC)の1つ以上の領域、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項7に記載のシステム。
  9. 前記少なくとも1つの深部脳構造は、腹側線条体(VS)、大脳辺縁系の1つ以上の部分、膝下帯状領域(BA25)、内包前脚腹側(VC)、側坐核、外側手綱、腹側尾状核、下視床脚、島皮質、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項7に記載のシステム。
  10. 前記1つ以上の皮質領域は、右背外側前頭前野皮質(RDLPFC)、左背外側前頭前野皮質(LDLPFC)、前頭前野皮質(PFC)の領域、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項1に記載のシステム。
  11. 前記システムは、患者の気分を示す1つ以上の追加のバイオマーカを感知するための1つ以上のセンサユニットをさらに含む、請求項1から10のいずれか一項に記載のシステム。
  12. 前記1つ以上のセンサユニットは、心拍センサ、発汗センサ、瞳孔測定センサ、ARヘッドセット、アイトラッキングセンサ、マイク、血中セロトニンセンサ、血中ドーパミンセンサ、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項11に記載のシステム。
  13. 前記1つ以上のバイオマーカは、心拍数、心拍変動、血圧、発汗率の変化、否定的な言葉の提示に応答する瞳孔サイズの変化、眼球運動パラメータ、患者の発話の母音空間での変化、血中セロトニンレベルの変化、血中ドーパミンレベルの変化、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項11から12のいずれか一項に記載のシステム。
  14. 前記気分障害は、大うつ病性障害(MDD)、心的外傷後ストレス障害(PTSD)、不安、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項1から11のいずれか一項に記載のシステム。
  15. 前記1つ以上のプロセッサ/コントローラおよび/または前記1つ以上の通信デバイスによって制御可能な1つ以上のエフェクタデバイスをさらに含み、前記1つ以上のエフェクタデバイスは、患者の脳にセロトニンを送達するためのデバイス、患者の脳にドーパミンを送達するためのデバイス、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項1から14のいずれか一項に記載のシステム。
  16. 前記1つ以上のプロセッサ/コントローラは、気分指数(MX)の値を決定するために前記皮質信号および前記EMAデータを処理し、前記MXの値が閾値レベルより小さいまたは前記閾値レベルに等しい場合に、前記1つ以上の脳領域に刺激を送達するようにプログラムされている、請求項1から15のいずれか一項に記載のシステム。
  17. 前記MXの値は、前記皮質信号と前記EMAデータとから、または前記皮質信号と前記EMAデータと1つ以上のセンサによって感知された1つ以上の患者のバイオマーカデータとから計算される、請求項16に記載のシステム。
  18. 前記1つ以上のプロセッサ/コントローラは、気分指数(MX)の値を決定するために前記皮質信号および前記EMAデータを処理し、前記MXの値に応じて1つ以上の脳領域に段階的な刺激を送達するようにプログラムされている、請求項1から17のいずれか一項に記載のシステム。
  19. 前記気分指数(MX)は、前記皮質信号および前記EMAデータから計算された変調指数(MI)を備える、請求項18に記載のシステム。
  20. 患者の気分障害を治療する方法であって、
    患者の1つ以上の皮質領域から感知された皮質信号を受信するステップと、
    患者によって操作される少なくとも1つの携帯型通信デバイスから患者の生態学的気分評価(EMA)データを自動的に受信するステップであって、前記少なくとも1つの通信デバイスは、前記少なくとも1つの通信デバイスで動作し、前記EMAデータをローカルで計算するために、および/またはリモートコンピュータから計算されたEMAデータを受信するために、前記患者による前記少なくとも1つの通信デバイスの使用のパラメータを表すデータを自動的に取得するためのアプリケーションソフトウェアを有する、受信するステップと、
    前記患者が治療的刺激を必要とする抑うつ状態にある指示を検出するために、前記皮質信号および前記EMAデータを処理するステップと、
    前記指示を検出したことに応じて前記患者の少なくとも1つの脳領域を刺激するステップと、
    を備える、方法。
  21. 前記受信するステップの前記信号は、頭蓋外インプラント、頭蓋内インプラント、頭蓋冠内インプラント、およびそれらの任意の組み合わせから選択される1つ以上のインプラントによって記録される、請求項20に記載の方法。
  22. 前記受信するステップの前記信号は、1つ以上の頭蓋冠内電極によって記録され、前記頭蓋冠内電極の少なくとも一部は、前記患者の頭蓋冠骨の内板を完全に貫通することなく、前記患者の頭蓋冠骨の外板と内板との間に配置されている、請求項20に記載の方法。
  23. 前記1つ以上の頭蓋冠内電極は、前記頭蓋冠骨の前記内板の外側表面に接してまたは隣り合って配置されている、請求項22に記載の方法。
  24. 前記EMAデータは、前記患者による前記少なくとも1つの携帯型通信デバイスの使用の複数のパラメータを表す自動的に取得されたデータと、前記患者に自動的に提示された気分評価の要求に応じて前記患者によって提供された主観的気分評価を表すデータと、から選択されたデータを含む、請求項20から23のいずれか一項に記載の方法。
  25. 前記EMAデータは、前記患者によるアプリケーションの使用を表すデータ、前記患者による通話回数を表すデータ、前記患者の動きによる加速度データ、通信データ、周囲光データ、周囲音データ、前記患者の位置データ、前記患者の通話ログ、前記患者の音声コンテンツ、前記患者のテキストコンテンツ、前記患者の睡眠データ、前記患者のソーシャルネットワークデータ、およびそれらの任意の組み合わせから選択されたデータを含む、請求項20から24のいずれか一項に記載の方法。
  26. 前記自動的に受信するステップは、1つ以上のセンサからバイオマーカデータを自動的に受信するステップも含み、前記処理するステップは、前記患者が治療的刺激を必要とする抑うつ状態にある指示を検出するために、前記皮質信号、前記EMAデータ、および前記バイオマーカデータを処理することを含む、請求項20から25のいずれか一項に記載の方法。
  27. 前記処理するステップは、変調指数パラメータ(MI)の値を計算するために、および/または患者の気分指数(MX)を計算するために、感知された皮質信号および前記EMAデータを処理することを含む、請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
  28. 前記処理するステップは、変調指数パラメータ(MI)の値を計算するために、および/または患者の気分指数(MX)を計算するために、感知された皮質信号と前記EMAデータと1つ以上のセンサから取得されたバイオマーカデータとを処理することを含む、請求項26に記載の方法。
  29. 前記処理するステップは、1つ以上のスペクトルバンドのスペクトルパワーを計算し、変調指数(MI)を計算し、および/または気分指数(MX)を計算することによって、前記感知された皮質信号を処理することを備える、請求項20から28のいずれか一項に記載の方法。
  30. 前記処理するステップは、前記MIの値を閾値と比較することを含み、前記刺激するステップは、前記MIの値が前記閾値と等しいまたは前記閾値より大きい場合、1つ以上の脳領域を刺激することを備える、請求項27から29のいずれか一項に記載の方法。
  31. 前記処理するステップは、気分指数(MX)の値を閾値と比較することを含み、前記刺激するステップは、前記MXの値が前記閾値と等しいまたは前記閾値より大きい場合、1つ以上の脳領域を刺激することを備える、請求項28〜29のいずれか一項に記載の方法。
  32. 前記刺激するステップは、1つ以上の皮質脳領域、1つ以上の深部脳構造、およびそれらの任意の組み合わせから選択される1つ以上の脳領域を刺激することを含む、請求項20から31のいずれか一項に記載の方法。
  33. 前記刺激するステップの前記1つ以上の皮質脳領域は、右DLPFC、左DLPFC、PFCの領域、膝下帯状皮質、およびそれらの任意の組み合わせから選択され、前記刺激するステップの前記1つ以上の深部脳構造は、腹側線条体(VS)、大脳辺縁系の1つ以上の部分、膝下帯状領域(BA25)、内包前脚腹側(VC)、側坐核、外側手綱、腹側尾状核、下視床脚、島皮質、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項32に記載の方法。
  34. 前記受信するステップは、右DLPFC、左DLPFC、PFCの領域およびそれらの組み合わせから選択される1つ以上の皮質領域から皮質信号を受信することを備える、請求項20から33のいずれか一項に記載の方法。
  35. 前記気分障害は、大うつ病性障害(MDD)、心的外傷後ストレス障害(PTSD)、不安、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項20から34のいずれか一項に記載の方法。
  36. 患者の気分障害を治療するためのシステムであって、
    1つ以上の頭蓋冠内インプラントであって、それぞれが、電源と、皮質信号を感知し、脳の1つ以上の領域を刺激するための複数の頭蓋冠内電極と、感知した皮質信号および/またはデータを通信するための、並びにデータおよび/または制御信号を無線で受信するためのテレメトリモジュールと、を含み、前記複数の頭蓋冠内電極の少なくとも一部は、前記患者の頭蓋冠骨の内板を完全に貫通することなく、前記患者の頭蓋冠骨の外板と内板との間に配置されており、1つ以上の移植可能な前記頭蓋冠内インプラントは、それぞれ、感知された皮質信号を処理し、前記脳の前記1つ以上の領域の刺激を制御するために、前記複数の頭蓋冠内電極と通信する1つ以上のプロセッサ/コントローラを含む、1つ以上の頭蓋冠内インプラントと、
    前記患者によって操作可能な少なくとも1つの携帯型通信デバイスであって、前記患者の瞬間的な気分を表す生態学的気分評価(EMA)データを取得するための、および前記EMAデータを前記1つ以上の移植可能な頭蓋冠内インプラントの前記1つ以上のプロセッサ/コントローラに、および/または少なくとも1つのリモートプロセッサに通信するための、前記携帯型通信デバイスで動作するアプリケーションソフトウェアを有し、前記データは、前記気分障害を治療するために前記脳の前記1つ以上の領域の刺激を調節および/または制御するために、前記1つ以上の頭蓋冠内インプラントの前記1つ以上のプロセッサ/コントローラによって、および/または前記携帯型通信デバイスに含まれるプロセッサによって、および/または前記少なくとも1つのリモートプロセッサによって処理される、少なくとも1つの携帯型通信デバイスと、
    を備える、システム。
  37. 患者の気分障害を治療するための方法であって、
    1つ以上の頭蓋冠内電極を備える頭蓋冠内インプラントを用いて患者の皮質領域から記録された電気信号を受信するステップであって、前記頭蓋冠内電極の少なくとも一部は、頭蓋冠骨の内板を完全に貫通することなく、前記患者の頭蓋冠骨の外板と内板との間に配置されている、受信するステップと、
    前記患者のための刺激パラダイムを決定するために前記信号を処理するステップと、
    前記決定された刺激パラダイムに応じて前記患者の少なくとも脳領域に刺激を与えるステップと、
    を備える方法。
  38. 前記患者によって操作される少なくとも1つの携帯型通信デバイスから前記患者の瞬間的な気分評価データを自動的に受信するステップをさらに含み、前記少なくとも1つの通信デバイスは、前記少なくとも1つの通信デバイスに、前記患者による前記少なくとも1つの通信デバイスの使用のパラメータを表すデータを患者の介入なしに自動的に処理して瞬間的な気分評価を計算するように動作するアプリケーションソフトウェアを有し、前記処理するステップは、前記患者のための刺激パラダイムを決定するために前記瞬間的な気分評価および前記電気信号を処理することを含む、請求項37に記載の方法。
  39. 前記患者の主観的気分評価を表す任意の患者の入力を受信するために、前記少なくとも1つの携帯型通信デバイスを介して前記患者と対話するステップをさらに含み、前記処理するステップは、前記患者のための刺激パラダイムを決定および/または修正するために前記患者の主観的気分評価および前記電気信号を処理することを含む、請求項38に記載の方法。
  40. 前記患者の主観的気分評価を表す前記患者の任意の入力を受信するために、前記少なくとも1つの携帯型通信デバイスを介して前記患者と対話するステップをさらに含み、前記処理するステップは、前記患者のための刺激パラダイムを決定および/または修正するために前記患者の主観的気分評価、前記EMAデータ、および前記電気信号を処理することを含む、請求項38に記載の方法。
  41. 前記少なくとも1つの携帯型通信デバイスは、携帯電話、スマートフォン、ラップトップ、モバイルコンピュータ、タブレット、ノートブック、ファブレット、拡張現実(AR)ヘッドセット、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項1から19および36のいずれか一項に記載のシステム。
  42. 前記少なくとも1つの携帯型通信デバイスは、携帯電話、スマートフォン、ラップトップ、モバイルコンピュータ、タブレット、ノートブック、ファブレット、拡張現実(AR)ヘッドセット、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項20から35のいずれか一項に記載の方法。
  43. 前記患者の瞬間的な気分を表す生態学的気分評価(EMA)データを少なくとも1つの携帯型通信デバイスから受信するステップをさらに含み、前記処理するステップは、前記患者のための刺激パラダイムを決定するために前記信号および前記EMAデータを処理することを含む、請求項37から40のいずれか一項に記載の方法。
  44. 前記受信するステップは、さらに、システムからの問い合わせに応じて前記患者から任意の気分評価データを受信することを含み、前記処理するステップは、前記患者のための刺激パラダイムを決定するために前記信号と前記EMAデータと患者の任意の気分評価データとを処理することを含む、請求項43に記載の方法。
  45. 前記少なくとも1つの携帯型通信デバイスは、携帯電話、スマートフォン、ラップトップ、モバイルコンピュータ、タブレット、ノートブック、ファブレット、拡張現実(AR)ヘッドセット、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項42から44のいずれか一項に記載の方法。
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