PL249770B1 - Układ do poprawy funkcji poznawczych mózgu człowieka - Google Patents

Abstract

Układ do poprawy funkcji poznawczych mózgu człowieka w obszarze kory przedczołowej: przedniej, brzuszno-bocznej (anterior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca, biegunem czołowym i przednią grzbietowo-boczną korą przedczołową i stymulacji w tych obszarach mózgu zawierający co najmniej jedną elektrodę stymulującą (E), która posiada co najmniej jeden kontakt umożliwiający pozyskiwanie sygnału LFP lub która jest elektrodą EEG z jednym kontaktem, montowanym nieinwazyjnie na skalpie lub która jest makroelektrodą iEEG z jednym kontaktem montowanym w korze mózgowej lub na jej powierzchni. Układ charakteryzuje się tym, że elektroda stymulująca (E) połączona jest przewodowo lub bezprzewodowo, a także dwukierunkowo z układem akwizycji i stymulacji (US), który jest połączony z układem przetwarzania (UP), który połączony jest z układem analizy (UN), który połączony jest zwrotnie z układem akwizycji i stymulacji (US).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do poprawy funkcji poznawczych mózgu, takich jak pamięć czy koncentracja, z wykorzystaniem stymulacji prądowej i urządzeń komputerowych.

Kora mózgu ludzkiego stanowi najbardziej zewnętrzną strukturę mózgowia i podzielona jest na obszary wyznaczone pod względem cech anatomicznych i czynnościowych. Wyróżnia się obszary kory sensorycznej, kojarzeniowej i motorycznej odpowiadające za poszczególne funkcje zmysłowe, umysłowe czy ruchowe. Jeden z najbardziej znanych atlasów kory mózgu ludzkiego używa numerycznych oznaczeń obszarów nazwanych polami Brodmanna, tzn. nazwiskiem naukowca, który je pierwszy oznaczył. Każde pole zawiera zarówno zakręty jak i bruzdy kory w danym obszarze. Istnieją też nazwy pojedynczych pól nazwanych po ich odkrywcach takie jak pole Wernicke czy pole Broca istotne w funkcjach mowy. Wyższe funkcje umysłu takie jak pamięć rozmieszczone są w wielu obszarach korowych i podkorowych. Obszary korowe mózgu kluczowe dla zapamiętywania i modulacji funkcji umysłu pozostają w dużej mierze nieznane.

Obecnie możliwe jest mapowanie funkcji kory mózgowej w różnych jej obszarach oraz stymulacja tych obszarów prądem elektrycznym lub polem magnetycznym w celu poprawy poszczególnych funkcji. Obszary korowe wykazujące znaczące aktywności elektrofizjologiczne podczas zapamiętywania bodźców mogą być monitorowane w czasie rzeczywistym poprzez specjalne kontakty elektrod. Znane są pomiary aktywności mózgu technikami inwazyjnymi, takimi jak LFP (Local Field Potential - lokalny potencjał polowy) lub ECoG (electrocorticogram - elektrokortykogram) lub nieinwazyjnymi, takimi jak EEG (electroencephalogram - elektroencefalogram). Kontakty elektrod użytych do pomiaru mogą być także użyte do stymulowania tych samych obszarów mózgu poprzez wprowadzenie prądu elektrycznego. Możliwa jest też stymulacja polem magnetycznym.

W przypadku zastosowania mikroelektrod możliwe jest sczytywanie z powierzchni kory mózgowej, jej wnętrza i z podkorowych struktur mózgu aktywności elektrofizjologicznej w postaci potencjałów w odległości 50-350 pm od końcówki elektrody i aktywności jonowej w odległości 0,5-3 mm. Znane jest zastosowanie makroelektrody iEEG montowanej w korze mózgowej lub na jej powierzchni, które pozwala na sczytywanie aktywności elektrofizjologicznej z mniejszą rozdzielczością przestrzenną wynoszącą ok. 1 cm. Zastosowanie elektrody EEG z kontaktami montowanymi na skalpie pozwala na przezczaszkową rejestrację zbiorczej aktywności elektrofizjologicznej mózgu z niższą rozdzielczością przestrzenną, niż w przypadku elektrod wszczepianych. Wszystkie wymienione powyżej elektrody mogą być również wykorzystywane do stymulacji mózgu poprzez dostarczenie prądu elektrycznego do wybranych obszarów.

Znana jest metoda analizy częstotliwościowej sygnału polegająca np. na zastosowaniu krótko-czasowej transformaty Fouriera lub transformacji falkowej w celu otrzymania spektrogramu, na podstawie którego można wyznaczyć profil mocy poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu. Znana jest metoda filtracji sygnału filtrami o nieskończonej odpowiedzi impulsowej i filtrami o skończonej odpowiedzi impulsowej. Znana jest metoda uczenia indukcyjnego, polegająca na zastosowaniu n p. sztucznych sieci neuronowych. Znany jest wzmacniacz, który wzmacnia sygnały elektrofizjologiczne pochodzące z mózgu do wartości umożliwiających analizę sygnałów z wykorzystaniem cyfrowych metod przetwarzania takich, jak np. krótko czasowa transformata Fouriera, oraz wzmacnia wygenerowane impulsy stymulujące do wartości bezpiecznych w przypadku stymulacji korowej, tj. maks. 15 mA i w przypadku stymulacji podkorowej, tj. maks. 5 mA. Znany jest konwerter analogowo-cyfrowy dokonujący zamiany elektrofizjologicznego sygnału analogowego na sygnał w postaci cyfrowej. Znany jest bufor kołowy do przechowywania próbek sygnału cyfrowego. Znany jest układ generatora, służącego do generowania prądu stymulującego z zadaną amplitudą, częstotliwością i czasem trwania impulsu. Znany jest układ wyboru kontaktów o poziomie szumu poniżej 2.5 pVRMS, który umożliwia przesłanie prądu stymulującego wyłącznie do wybranych kontaktów elektrody.

Z opisu wynalazku EP3247267A2 oraz opisu wynalazku WO2019183046A1 znane są sposoby polepszania funkcji poznawczych, takich jak pamięć poprzez inwazyjne lub nieinwazyjne nagrywanie aktywności elektrycznej z wybranych części mózgu i stymulację w tych miejscach. Sposoby te są oparte na elektrodach i urządzeniach do pomiaru aktywności danych części mózgu i przeprowadzania prądu elektrycznego do ich stymulacji. Sygnały elektryczne pobrane z mózgu są przekazywane do rejestracji i przetwarzania komputerowego do automatycznej kontroli stymulacji elektrycznej w celu poprawy pamięci.

Zgodnie z opisem wynalazku EP3247267 sygnały mogą być pobierane do rejestracji i przetwarzania bezpośrednio z danej części mózgu, natomiast zgodnie z opisem wynalazku WO2019183046 sygnały pobierane są pośrednio z innych źródeł sygnałów aktywności mózgu, takich jak rozwartość źrenicy oka. Opisano w nich część mózgu w bocznej korze skroniowej (lateral temporal cortex), której stymulacja elektryczna powoduje poprawę zapamiętywania słów. Stymulacja w tej części mózgu w trybie obiegu otwartego tzn. bez pomiaru aktywności mózgu lub w trybie obiegu zamkniętego tzn. inicjowana pomiarem i analizą aktywności mózgu podczas pokazywania słów, powoduje zwiększenie średniej ilości zapamiętanych słów.

Z opisów wynalazków US10363420, US20170113046, US9403010, US20140107728 znana jest stymulacja elektryczna w innych częściach mózgu, w obrębie struktur przyśrodkowej kory skroniowej (medial temporal lobe), takich jak hipokamp (hippocampus), kora śródwęchowa (entorhinal cortex) i ich połączeń z pozostałymi częściami mózgu.

W opisie WO2009067323A1 przedstawiona została stymulacja w grzbietowo-bocznej korze przedczołowej (dorso-lateral prefrontal cortex; DLPFC) między innymi do poprawy funkcji pamięci. Stymulacja w tych innych częściach mózgu jest użyta podczas aktywności poznawczych i procesów pamięci.

Z opisu wynalazku US2014148872 znane jest urządzenie do stymulacji przezczaszkowej w oparciu o dwie elektrody. Niedogodnością tego urządzenia jest brak możliwości akwizycji sygnałów aktywności elektrofizjologicznej, oraz brak możliwości precyzyjnego stymulowania mózgu w obszarze przedniej, brzuszno-bocznej kory przedczołowej (anterior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca, biegunem czołowym i przednią grzbietowo-boczną korą przedczołową polem Brodmanna.

Z opisu US2020023189A1 znane jest urządzenie do stymulacji wewnątrzczaszkowej w celu poprawy zdolności kognitywnych. Niedogodnością tego urządzenia jest to, iż nie dokonuje detekcji uszkodzonych kontaktów/przewodów i nie usuwa pochodzących z nich sygnałów z procesu analizy. Urządzenie nie umożliwia dokonania długoczasowej analizy sygnałów i parametrów stymulacji w celu optymalizacji stymulacji. Rozwiązanie to nie pozwala na stymulacje mózgu w obszarze przedniej, brzusznobocznej kory przedczołowej (anterior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca (pole Brodmanna 44 i 45), biegunem czołowym (pole Brodmanna 10 i 11) i przednią grzbietowo-boczną korą przedczołową (pole Brodmanna 46).

W opisach wynalazków US2017014630A1 i US10159839 zawarto opis sposobów stymulacji mózgu podczas snu w celu lepszego utrwalania śladów pamięci po okresie aktywności funkcji poznawczych, takich jak zapamiętywanie.

W Politechnice Gdańskiej prowadzone były w okresie 01-06-2018 - 31-05-2021 badania naukowe obejmujące neurofizjologiczne mechanizmy procesów myślowych i pamięci poprzez zastosowanie innowacyjnych technologii do pomiaru i stymulacji aktywności mózgu ludzkiego. Wyniki tych badań pokazują, że istnieją znacząco większe różnice w aktywności w paśmie fal mózgowych theta (2-8 Hz) pomiędzy udanymi a nieudanymi próbami zapamiętywania u ludzi. Odkryte różnice w zapamiętywaniu były większe niż w innych częściach mózgu (w tym w bocznej korze skroniowej) czy w wyższych częstotliwościach fal mózgowych. Przedstawiono to na fig. 1, gdzie na fig. 1A pokazano, że wszystkie aktywne elektrody wszczepione w tym badaniu zostały automatycznie zgrupowane na podstawie ich anatomicznych współrzędnych położenia w oparciu o metodę k-means, na fig. 1B pokazano, że automatycznie zgrupowane skupiska elektrod wykazują większą gęstość i wielkość różnicy w sygnale zapamiętywania (rozmiar kulki) w korze przedczołowej, na fig. 1C pokazano, że centroidy każdego skupiska identyfikują jedno skupisko z najwyższą średnią wielkością różnicy w zapamiętywaniu (strzałka) w przedniej korze przedczołowej, na fig. 1D pokazano, że anatomiczne rozmieszczenie każdego skupiska pokazuje stosunkowo niewielki rozmiar odkrytego skupiska (strzałka) o promieniu 4 mm, na fig. 1E pokazano, że porównanie uśrednionych różnic w zapamiętywaniu pomiędzy anatomicznie uszeregowanymi skupiskami potwierdza znacznie większe wartości odkrytego skupiska przedczołowego niż w większości innych skupisk oraz, że sąsiednie skupiska przedczołowe również wykazują stosunkowo wysokie średnie różnic w porównaniu ze stopniowo bardziej oddalonymi anatomicznie skupiskami, na fig. 1F pokazano uniwersalną powierzchnię mózgu, która podsumowuje interpolowane wartości różnic, które z kolei potwierdzają te samo anatomicznie wyodrębnione skupisko (strzałka) pomiędzy obszarami bieguna czołowego (frontal pole), pola Broca i bocznej kory przedczołowej (lateral prefrontal cortex). Ten zlokalizowany obszar mózgu jest anatomicznie dostępny dla inwazyjnych i nieinwazyjnych technik sczytywania aktywności i stymulacji mózgu.

Układ do poprawy funkcji poznawczych mózgu człowieka w obszarze kory przedczołowej przedczołowej: przedniej, brzuszno-bocznej (anterior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca (pole Brodmanna), biegunem czołowym (pole Brodmanna) i przednią grzbietowo-boczną korą przedczołową (pole Brodmanna) i stymulacji w tych obszarach mózgu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej jedną elektrodę stymulującą, która połączona jest przewodowo lub bezprzewodowo, a także dwukierunkowo z układem akwizycji i stymulacji, który jest połączony z układem przetwarzania, który połączony jest z układem analizy, a co najmniej jedna elektroda stymulująca posiada co najmniej jeden kontakt umożliwiający pozyskiwanie sygnału LFP lub która jest elektrodą EEG z jednym kontaktem, montowanym nieinwazyjnie na skalpie lub która jest makroelektrodą iEEG z jednym kontaktem montowanym w korze mózgowej lub na jej powierzchni. Układ analizy połączony jest zwrotnie z układem akwizycji i stym ulacji, natomiast układ akwizycji i stymulacji, który połączony jest z elektrodą stymulującą zawiera wzmacniacz, który połączony jest z konwerterem analogowo-cyfrowym, który powiązany jest z buforem, który z kolei powiązany jest z układem filtracji w układzie przetwarzania. Układ filtracji połączony jest z układem detekcji uszkodzeń do wykrywania niesprawnych kontaktów elektrody stymulującej lub przewodów, poprzez układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych, w którym zaimplementowana jest znana metoda analizy częstotliwościowej sygnału, przy czym układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych, połączony jest z układem progowym znajdującym się w układzie analizy. Układ progowy połączony jest z układem decyzyjnym, zaś układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych oraz układ progowy połączone są z układem optymalizacji, który połączony jest dwukierunkowo z układem decyzyjnym, który połączony jest ze znajdującymi się w układzie akwizycji i stymulacji generatorem, który połączony jest ze wzmacniaczem. Układ decyzyjny połączony jest z układem wyboru kontaktów, przy czym wzmacniacz również połączony jest z układem wyboru kontaktów, zaś układ wyboru kontaktów połączony jest z elektrodą stymulującą.

Korzystnie układ filtracji połączony jest z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych, w którym zaimplementowana jest znana metoda analizy częstotliwościowej sygnału, a ponadto układ filtracji połączony jest z układem detekcji uszkodzeń, zaś układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych, połączony jest poprzez układ progowy z układem decyzyjnym, który połączony jest dwukierunkowo z układem optymalizacji znajdującym się w układzie analizy, przy czym układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych również połączony jest z układem optymalizacji, zaś układem decyzyjny połączony jest ze znajdującymi się w układzie akwizycji i stymulacji generatorem, który połączony jest ze wzmacniaczem oraz układ decyzyjny połączony jest z układem wyboru kontaktów, przy czym wzmacniacz również połączony jest z układem wyboru kontaktów, zaś układ wyboru kontaktów połączony jest z elektrodą stymulującą.

Korzystnie układ filtracji połączony jest z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych, w którym zaimplementowana jest znana metoda analizy częstotliwościowej sygnału, zaś układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych, połączony jest z układem klasyfikującym znajdującym się w układzie analizy, przy czym układ klasyfikujący, połączony jest z układem decyzyjnym, który połączony jest dwukierunkowo z układem optymalizacji, a ponadto układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych oraz układ kwalifikujący połączone są z układem optymalizacji, a układ decyzyjny połączony jest ze znajdującymi się w układzie akwizycji i stymulacji generatorem, który połączony jest ze wzmacniaczem oraz układ decyzyjny połączony jest z układem wyboru kontaktów, przy czym wzmacniacz również połączony jest z układem wyboru kontaktów, zaś układ wyboru kontaktów połączony jest z elektrodą stymulującą.

Korzystnie układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych połączony jest poprzez układ detekcji uszkodzeń z układem klasyfikującym, przy czym układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych połączony jest również bezpośrednio z układem klasyfikującym.

Korzystnie układ filtracji połączony jest z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych, w którym zaimplementowana jest znana metoda analizy częstotliwościowej sygnału, a ponadto układ filtracji połączony jest z układem detekcji uszkodzeń, zaś układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych, połączony jest poprzez układ klasyfikujący z układem decyzyjnym, który połączony jest dwukierunkowo z układem optymalizacji znajdującym się w układzie analizy, zaś układem decyzyjny połączony jest ze znajdującymi się w układzie akwizycji i stymulacji generatorem, który połączony jest ze wzmacniaczem oraz układ decyzyjny połączony jest z układem wyboru kontaktów, przy czym wzmacniacz również połączony jest z układem wyboru kontaktów, zaś układ wyboru kontaktów połączony jest z elektrodą stymulującą.

Wykorzystanie układu do poprawy funkcji poznawczych mózgu człowieka pozwala na poprawę funkcji poznawczych, czyli np. wspomożenie procesu zapamiętywania, poprzez stymulację elektryczną mózgu w obszarze kory przedczołowej: przedniej, brzuszno-bocznej (anterior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca (pole Brodmanna 44 i 45), biegunem czołowym (pole Brodmanna 10 i 11) i przednią grzbietowo-boczną kora przedczołową (pole Brodmanna 46).

Wynalazek objaśniony jest bliżej w przykładach realizacji i na rysunku, na którym na fig. 1 pokazane są schematycznie wyniki badań naukowych przeprowadzonych na Politechnice Gdańskiej, zaś na fig. 2 przedstawiono rozmieszczenie kontaktów elektrody, na fig. 3 ogólny schemat wynalazku do poprawy funkcji poznawczych, a na fig. 4, fig. 5, fig. 6, fig. 7 przedstawione są wariantowe układy.

Przykład 1

Budowa układu

Jak pokazano na fig. 3 i 4 układ do poprawy funkcji poznawczych składa się ze znanej elektrody stymulującej z liczbą 100 kontaktów przewodzących prąd E rozmieszczonych geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce o całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, wskazanego na fig. 1F, dokładnie wytyczonego wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG. Rozmieszczenie kontaktów przedstawiono na fig. 2. Kontakty umieszczone są na biokompatybilnym i niereaktywnym materiale przy użyciu np. technik litografii poliamidowej. Średnica kontaktów jest dostatecznie niska i wynosi mniej niż 100 mikrometrów, aby umożliwić odbieranie sygnałów LFP z poszczególnych kolumn korowych i dostatecznie wielka, aby umożliwić przewodzenie prądu stymulującego o bezpiecznym natężeniu, tj. maksymalnie 15 mA w przypadku stymulacji korowej i 5 mA w przypadku stymulacji głębinowej.

Jak pokazano na fig. 3, kontakty elektrody E połączone są z układem akwizycji i stymulacji US, który połączony jest bezprzewodowo poprzez Bluetooth z układem przetwarzania UP na tablecie albo smartfonie, który z kolei połączony jest z układem analizy UN zrealizowanym w tej samej postaci, który połączony jest, bezprzewodowo, z układem akwizycji i stymulacji US. Układ akwizycji i stymulacji US w tym przykładzie stanowi jedno urządzenie stymulujące U1, a układy UP i UN wchodzą w skład drugiego urządzenia komputerowego U2. Układy US, UP i UN przedstawiono w szczegółach poniżej.

Jak pokazano na fig. 4, układ akwizycji i stymulacji US składa się z układu wyboru kontaktów 12, o poziomie szumu poniżej 2.5 ąVRMS, wzmacniacza 1, dokonującego wzmocnienia sygnału pozyskanego z kontaktów elektrod oraz sygnału wygenerowanego przez generator 9 do wartości bezpiecznych w przypadku stymulacji korowej, tj. maks. 15 mA i w przypadku stymulacji podkorowej, tj. maks. 5 mA, konwertera analogowo-cyfrowego 2, bufora 3, zrealizowanego w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącego częścią pamięci operacyjnej układu, i układu generatora 9, służącego do generowania prądu stymulującego z zadaną amplitudą, częstotliwością i czasem trwania impulsu. Elektroda stymulująca E połączona jest przewodowo z układem wzmacniacza 1, który połączony jest z konwerterem analogowo-cyfrowym 2, który połączony jest z buforem 3, który z kolei połączony jest bezprzewodowo z wykorzystaniem protokołu Bluetooth z układem filtracji 4, znajdującym się w układzie przetwarzania UP. Układ filtracji 4, który dokonuje podziału sygnału na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o nieskończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm theta, alfa i beta oraz filtró w o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm niskich i wysokich fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości połączony jest z układem pomiaru mocy 5, w którym dla sygnałów co najmniej w paśmie częstotliwości theta, za pomocą metody analizy częstotliwościowej wyznaczany jest spektrogram, a następnie wyznaczany jest profil mocy poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu. Układ pomiaru mocy 5 połączony jest z układem detekcji uszkodzeń 6, w którym wykrywane są niesprawne kontakty elektrody stymulującej E lub przewody, z wykorzystaniem częstotliwościowej metody detekcji zaszumienia sygnału sygnałem pochodzącym z sieci elektrycznej, polegającej np. na porównaniu z wartością progową różnicy mediany dla każdego segmentu spektrogramu i mediany tych median i z wykorzystaniem częstotliwościowej metody detekcji aktywności epileptycznej / nieelektrofizjologicznej skutkującej efektem Gibbsa, polegającej np. na obliczeniu ilorazu wartości średniej z sumy wartości w spektrogramie i mediany z sumy wartości w spektrogramie a następnie porównaniu wyniku z wartością progową równą 2 dla bardzo subtelnego efektu Gibbsa i wartością równą 18 dla silnego efektu Gibbsa. Układ pomiaru mocy 5 połączony jest również z układem progowym 7, znaj dującym się w układzie analizy UN, w którym to układzie progowym 7 dla nieuszkodzonych kontaktów elektrod określa się za pomocą prostych reguł - instrukcji warunkowych, w których pasmach częstotliwości, co najmniej dla pasma theta i dla których kontaktów elektrod E nastąpiło przekroczenie progów mocy. Układ pomiaru mocy 5 połączony jest również z układem optymalizacji 10, który dokonuje długoczasowej analizy takich danych, jak profile mocy sygnału co najmniej w pasmach theta i identyfikatory kontaktów elektrody stymuluj ącej E, na których nastąpiło przekroczenie progów mocy, pozyskane z układu pomiaru mocy 5, w celu określenia optymalnego zestawu wartości amplitudy, częstotliwości i czasu trwania impulsu, i miejsc stymulacji, w oparciu o uczenie maszynowe, np. z wykorzystaniem metody uczenia indukcyjnego. Układ progowy 7 połączony jest z układem decyzyjnym 8 i układem optymalizacji 10. Układ decyzyjny 8 w oparciu o zestaw prostych reguł - instrukcji warunkowych podejmuje decyzję, na które kontakty elektrody stymulującej E powinien zostać wysłany sygnał stymulujący i jakie powinien mieć parametry, tj. amplitudę, czas trwania impulsu elektrycznego i jego częstotliwość. Układ decyzyjny 8 połączony jest bezprzewodowo z układem generatora 9, w którym generowany jest impuls elekt ryczny o ustalonej amplitudzie, czasie trwania i częstotliwości, układem wyboru kontaktów 12 i układem optymalizacji 10. Układ generatora 9 połączony jest ze wzmacniaczem 1.

Sposób działania

Sygnał z elektrody stymulującej E, rozmieszczonych geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10 x 10, na całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, przedstawionej na fig. 1F, dokładnie wytyczonego wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG, jest przesyłany do wzmacniacza 1, który wraz z układem wyboru kontaktów 12, generatorem 9, konwerterem analogowo-cyfrowym 2 i buforem 3, zrealizowanym w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącym częścią pamięci operacyjnej układu, stanowią część układu akwizycji i stymulacji US implantowanego w głowie lub klatce piersiowej pod obojczykiem, tak jak w przypadku urządzeń do terapii Deep Brain Stimulation (DBS). Układ US za silany jest baterią ładowaną bezprzewodowo lub baterią długoletnią do wymiany chirurgicznej, jak w przypadku urządzeń do terapii DBS. Wzmocnione we wzmacniaczu 1 sygnały, do wartości amplitud umożliwiających analizę z wykorzystaniem metod przetwarzania tak ich, jak krótko-czasowa transformata Fouriera, przesyłane są do konwertera analogowo-cyfrowego 2, w którym zamienione są na postać cyfrową, a następnie N próbek sygnału przesyłane jest do bufora 3, z którego pozyskiwane są i przesyłane bezprzewodowo w technologii Bluetooth do układu filtracji 4, w którym spróbkowane sygnały dzielone są na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o nieskończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm theta, alfa i beta oraz filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm niskich i wysokich fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości. Podzielone na pasma częstotliwości sygnały wysyłane są do układu pomiaru mocy 5, w którym poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu otrzymanego z wykorzystaniem metody analizy częstotliwościowej sygnału wyznaczany jest profil mocy sygnału w każdym z pasm częstotliwości, co najmniej w paśmie theta. Wyznaczone spektrogramy w każdym z pasm częstotliwości przesyłane są do układu detekcji uszkodzeń 6, w którym wykrywane są niesprawne kontakty lub przewody, z wykorzystaniem metody detekcji szumu elektrycznego w sygnale na podstawie analizy spektrogramu poprzez porównanie z wartością progową różnicy mediany dla każdego segmentu spektrogramu i mediany tych median i z wyko rzystaniem metody detekcji aktywności epileptycznej / nieelektrofizjologicznej. Profile mocy wyznaczone w układzie pomiaru mocy 5 oraz informacja o uszkodzonych kontaktach/przewodach wyznaczona w układzie detekcji uszkodzeń 6 przesyłane są do układu progowego 7, w którym dla nieuszkodzonych kontaktów elektrody stymulującej E określa się z wykorzystaniem prostych reguł, w których pasmach częstotliwości i dla których kontaktów elektrody stymulującej E nastąpiło przekroczenie wartości progowych mocy. Przy zast osowaniu wynalazku w celu poprawy procesów funkcji poznawczych, wartości progowe ustalane są w trakcie testów pamięciowych indywidualnie dla pacjenta w warunkach klinicznych po wykonaniu operacji i wprowadzane przez lekarza w aplikacji działającej na urząd zeniu komputerowym U2 i blokowane hasłem tak, aby użytkownik nie miał możliwości ich zmienić samodzielnie. Przykładowo, wartość mocy w paśmie theta powyżej wartości progowej przy jednoczesnej wartości mocy w paśmie gamma poniżej wartości progowej w obszarze przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej (anetrior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca - pole Brodmanna i 45, biegunem czołowym -pole Brodmanna 10 i 11 i przednią grzbietowo-boczną korą przedczołową - pole Brodmanna 46 zaobserwowane przez lekarza w trakcie testów pamięciowych u pacjenta, w odstępie 0-500 ms od wyświetlenia słowa na ekranie, świadczą o próbie zapamiętywania. Wystąpienie opisanej powyżej relacji mocy w życiu codziennym na danych kontaktach elektrody stymulującej E, oznacza, że na tych kontaktach można przeprowadzić stymulację prądową, aby wzmocnić proces kognitywny. Informacja o relacjach wartości mocy w każdym paśmie częstotliwości względem wartości progowych jest przekazywana do układu decyzyjnego 8, działającego w oparciu o zestaw prostych reguł - instrukcji warunkowych i do układu optymalizacji 10, działającego w oparciu o uczenie maszynowe, np. z wykorzystaniem metody uczenia indukcyjnego. W oparciu o informację o kontaktach elektrody stymulującej E, na których nastąpiło przekroczenie progów i w oparciu o wartości mocy oraz dane o optymalnych parametrach sygnału stymulującego i miejscach stymulacji z układu optymalizacji 10, układ decyzyjny 8 przesyła bezprzewodowo z wykorzystaniem technologii Bluetooth do układu generatora 9 informację o parametrach sygnału stymulującego, takich jak częstotliwość i amplituda prądu oraz czas trwania impulsu do wygenerowania przez generator 9. Układ decyzyjny 8 wysyła również bezprzewodowo z wykorzystaniem technologii Bluetooth do układu wyboru kontaktów 12 informację o tym, na które kontakty elektrody stymulującej E powinien zostać wysłany sygnał stymulujący wygenerowany przez generator 9 i wzmocniony we wzmacniaczu 1. Układ decyzyjny 8 zapisuje również w pamięci układu optymalizacji 10 bieżące parametry sygnału stymulującego oraz informację o tym, na które kontakty elektrody stymulującej E powinien zostać wysłany sygnał stymulujący. W pamięci układu optymalizacji 10 zapisywana jest również informacja z układu progowego 7 o tym, w których pasmach częstotliwości i dla których kontaktów elektrody stymulującej E nastąpiło przekroczenie progów mocy. W pamięci układu optymalizacji 10 zapisywane są również profile mocy sygnału w każdym z pasm częstotliwości, pozyskane z układu pomiaru mocy 5. Dodatkowo, w układzie optymalizacji 10 zapisywana jest opcjonalna informacja zwrotna od użytkownika o tym czy zastosowana stymulacja nie powodowała nieprzyjemnych wrażeń oraz czy faktycznie przyczyniła się do poprawy zapamiętywania. Informacja zwrotna od użytkownika podawana jest za pośrednictwem aplikacji działającej na urządzeniu komputerowe U2, tj. np. tablecie. Układ optymalizacji 10 dokonuje długoczasowej analizy tych danych w celu określenia optymalnego zestawu parametrów i miejsc stymulacji, w oparciu o uczenie maszynowe, np. z wykorzystaniem metody uczenia indukcyjnego.

Przykład 2

Budowa układu

Jak pokazano na fig. 3 i 5 układ do poprawy funkcji poznawczych składa się ze znanej elektrody stymulującej z liczbą 100 kontaktów przewodzących prąd E, rozmieszczonych geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10 x 10, na całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, wskazanego na fig. 1F, dokładnie wytyczonego wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG. Rozmieszczenie kontaktów przedstawiono na fig. 2. Kontakty umieszczone są na biokompatybilnym i niereaktywnym materiale przy użyciu np. technik litografii poliamidowej. Średnica kontaktów jest dostatecznie niska i wynosi mniej niż 100 mikrometrów, aby umożliwić odbieranie sygnałów LFP z poszczególnych kolumn korowych i dostatecznie wielka, aby umożliwić przewodzenie prądu stymulującego o bezpiecznym natężeniu, tj. maksymalnie 15 mA w przypadku stymulacji korowej i 5 mA w przypadku stymulacji głębinowej.

Jak pokazano na fig. 3, kontakty elektrody stymulującej E połączone są z układem akwizycji i stymulacji US, który połączony jest bezprzewodowo poprzez Bluetooth z układem przetwarzania UP na tablecie albo smartfonie, który z kolei połączony jest z układem analizy UN zrealizowanym w tej samej postaci, który połączony jest, bezprzewodowo, z układem akwizycji i stymulacji US. Układ akwizycji i stymulacji US w tym przykładzie stanowi jedno urządzenie stymulujące U1, a układy UP i UN wchodzą w skład drugiego urządzenia komputerowego U2. Układy US, UP i UN przedstawiono w szczegółach poniżej.

Jak pokazano na fig. 5, układ akwizycji i stymulacji US składa się z układu wyboru kontaktów 12, o poziomie szumu poniżej 2.5 μVRMS, wzmacniacza 1, dokonującego wzmocnienia sygnału pozyskanego z kontaktów elektrod oraz sygnału wygenerowanego przez generator 9 do wartości bezpiecznych w przypadku stymulacji korowej, tj. maks. 15 mA i w przypadku stymulacji podkorowej, tj. maks. 5 mA, konwertera analogowo-cyfrowego 2, bufora 3, zrealizowanego w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącego częścią pamięci operacyjnej układu, i układu generatora 9, służącego do generowania prądu stymulującego z zadaną amplitudą, częstotliwością i czasem trwania impulsu. Elektroda stymulująca E połączona jest przewodowo z układem wzmacniacza 1, który połączony jest z konwerterem analogowo-cyfrowym 2, który połączony jest z buforem 3, który z kolei połączony jest bezprzewodowo z układem filtracji 4, znajdującym się w układzie przetwarzania UP. Układ filtracji 4, który dokonuje podziału sygnału na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o nieskończonej odpowiedzi imp ulsowej dla pasm theta, alfa i beta oraz filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm niskich i wysokich fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości połączony jest z układem pomiaru mocy 5, w którym dla sygnałów co najmniej w paśmie częstotliwości theta, za pomocą metody analizy częstotliwościowej wyznaczany jest spektrogram, a następnie wyznaczany jest profil mocy poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu. Układ filtracji 4 połączony jest również z układem detekcji uszkodzeń 6. Układ detekcji uszkodzeń 6, który w tym przykładzie realizuje metodę czasową polegającą np. na odjęciu energii sygnału w wybranym paśmie od energii sygnału w sąsiadującym wyższym paśmie zawierającym częstotliwość podstawową lub harmoniczną prą du i porównaniu otrzymanej różnicy z wartością progową, połączony jest z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych 5, który z kolei połączony jest z układem progowym 7 i układem optymalizacji 10, działającymi tak jak w przykładzie 1. Dalej, połączenia układów są takie same jak w przykładzie 1.

Sposób działania

Sygnał z elektrody stymulującej E, rozmieszczonych geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10 x 10, na całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, przedstawionego na fig. 1F, dokładnie wytyczonego wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG, przesyłany jest do wzmacniacza 1, który wraz układem wyboru kontaktów 12, generatorem 9 i buforem 3, zrealizowanym w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącym częścią pamięci operacyjnej układu, stanowią część układu akwizycji i stymulacji UA implantowanego w głowie lub klatce piersiowej pod obojczykiem, tak jak w przypadku urządzeń do terapii Deep Brain Stimulation (DBS). Układ UA zasilany jest baterią ładowaną bezprzewodowo lub baterią długoletnią do wymiany chirurgicznej, jak w przypadku urządzeń do terapii DBS. Wzmocnione we wzmacniaczu 1 sygnały, do wartości amplitud umożliwiających analizę sygnału z wykorzystaniem metod przetwarzania takich, jak krótko-czasowa transformata Fouriera, przesyłane są do konwertera analogowo-cyfrowego 2, który zamienia sygnał na postać cyfrową, a następnie do bufora 3, z którego sygnały pozyskiwane są w postaci spróbkowanej i przesyłane bezprzewodowo w technologii Bluetooth do układu filtracji 4, w którym dzielone są na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o nieskończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm theta, alfa i beta oraz filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm niskich i wysokich fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości. Podzielone na pasma częstotliwości sygnały wysyłane są do układu pomiaru mocy 5, w którym poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu otrzymanego z wykorzystaniem metody analizy częstotliwościowej wyznaczany jest profil mocy sygnału w każdym z pasm częstotliwości, co najmniej w paśmie theta. Sygnały podzielone według pasm częstotliwości w układzie filtracji 4 przesyłane są również do układu detekcji uszkodzeń 6, w którym wykrywane są niesprawne kontakty lub przewody, z wykorzystaniem czasowej metody detekcji zaszumienia sygnału, np. poprzez odjęcie energii sygnału w wybranym paśmie od energii sygnału w sąsiadującym wyższym paśmie zawierającym częstotliwość podstawową lub harmoniczną prądu i porównanie otrzymanej różnicy z progiem. W układzie pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych 5 wyznaczany jest profil mocy sygnału w każdym z pasm częstotliwości, poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu otrzymanego z wykorzystaniem metody analizy częstotliwościowej i/lub wyznaczana jest liczba potencjałów, poprzez wyznaczenie w dziedzinie czasu średniej amplitudy w obrębie segmentu n próbek, dodanie do niej wartości progowej i identyfikację miejsc, w których amplituda przekracza tę sumę. Wyznaczone profile mocy w każdym z pasm częstotliwości i/lub liczba potencjałów przesyłane są do układu progowego 7, w którym z wykorzystaniem prostych reguł określa się, w których pasmach częstotliwości i dla których kontaktów elektrody stymulującej E nastąpiło przekroczenie progów mocy i/lub liczby potencjałów. Tak samo, jak w przykładzie 1, wyznaczone profile mocy i/lub potencjały polowe z układu pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych 5 przesyłane są też do układu optymalizacji 10, działającego w oparciu o uczenie maszynowe, np. z wykorzystaniem metody uczenia indukcyjnego, po czym postępuje się dalej jak opisano w przykładzie 1.

Przy kład 3

Budowa układu

Jak pokazano na fig. 3 i 6 układ do poprawy funkcji poznawczych składa się z elektrody stymulującej z liczbą 100 kontaktów przewodzących prąd E, rozmieszczonych geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10 x 10, na całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, wskazanego na fig. 1F, dokładnie wytyczonego wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG. Rozmieszczenie kontaktów przedstawiono na fig. 2. Kontakty umieszczone są na biokompatybilnym i niereaktywnym materiale przy użyciu np. technik litografii poliamidowej. Średnica kontaktów jest dostatecznie niska i wynosi mniej niż 100 mikrometrów, aby umożliwić odbieranie sygnałów LFP z poszczególnych kolumn korowych i dostatecznie wielka, aby umożliwić przewodzenie prądu stymulującego o bezpiecznym natężeniu, tj. maksymalnie 15 mA w przypadku stymulacji korowej i 5 mA w przypadku stymulacji głębinowej.

Jak pokazano na fig. 3, kontakty elektrody stymulującej E połączone są z układem akwizycji i stymulacji US, który połączony jest bezprzewodowo poprzez Bluetooth z układem przetwarzania UP na tablecie albo smartfonie, który z kolei połączony jest z układem analizy UN zrealizowanym w tej samej postaci, który połączony jest, bezprzewodowo, z układem akwizycji i stymulacji US. Układ akwizycji i stymulacji US w tym przykładzie stanowi jedno urządzenie stymulujące U1, a układy UP i UN wchodzą w skład drugiego urządzenia komputerowego U2. Układy US, UP i UN przedstawiono w szczegółach poniżej.

Jak pokazano na fig. 6, układ akwizycji i stymulacji US składa się z układu wyboru kontaktów 12, o poziomie szumu poniżej 2.5 pVRMS, wzmacniacza 1, dokonującego wzmocnienia sygnału pozyskanego z kontaktów elektrod oraz sygnału wygenerowanego przez generator 9 do wartości bezpiecznych w przypadku stymulacji korowej, tj. maks. 15 mA i w przypadku stymulacji podkorowej, tj. maks. 5 mA, konwertera analogowo-cyfrowego 2, bufora 3, zrealizowanego w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącego częścią pamięci operacyjnej układu, i układu generatora 9, służącego do generowania prądu stymulującego z zadaną amplitudą, częstotliwością i czasem trwania impulsu. Elektroda stymulująca E połączona jest przewodowo ze wzmacniaczem 1, który połączony jest konwerterem analogowo-cyfrowym 2, który połączony jest z buforem 3, który z kolei połączony jest bezprzewodowo z układem filtracji 4, znajdującym się w układzie przetwarzania UP. Układ filtracji 4, który dokonuje podziału sygnału na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o nieskończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm theta, alfa i beta oraz filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm niskich i wysokich fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości połączony jest z układem pomiaru mocy 5, w którym dla sygnałów co najmniej w paśmie częstotliwości theta, za pomocą metody analizy częstotliwościowej wyznaczany jest spektrogram, a następnie wyznaczany jest profil mocy poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu. Układ pomiaru mocy 5 połączony jest z układem klasyfikującym 11, układem optymalizacji 10 i opcjonalnie z układem detekcji uszkodzeń 6. Opcjonalny układ detekcji uszkodzeń 6 połączony jest z układem klasyfikującym 11 i układem optymalizacji 10. Układ klasyfikujący 11 połączony jest z układem decyzyjnym 8 i układem optymalizacji 10. Dalej, połączenia układów są takie same, jak w przykładzie 1.

Sposób działania

Sygnał z elektrody stymulującej E, rozmieszczonych geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10 x 10, na całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, przedstawionego na fig. 1F, dokładnie wytyczonego wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG, jest przesyłany do wzmacniacza 1, który wraz z układem wyboru kontaktów 12, konwerterem analogowo-cyfrowym 2, generatorem 9 i buforem 3, zrealizowanym w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącym częścią pamięci operacyjnej układu, stanowią część układu akwizycji i stymulacji US implantowanego w głowie lub klatce piersiowej pod obojczykiem, tak jak w przypadku urządzeń do terapii Deep Brain Stimulation (DBS). Układ US zasilany jest baterią ładowaną bezprzewodowo lub baterią długoletnią do wymiany chirurgicznej, jak w przypadku urządzeń do terapii DBS. Wzmocnione we wzmacniaczu 1 sygnały, do wartości amplitud umożliwiających analizę sygnału z wykorzystaniem metod przetwarzania takich, jak krótko czasowa transformata Fouriera, przesyłane są do konwertera analogowo-cyfrowego 2, w którym zamieniane są na postać cyfrową i przesyłań e do bufora 3. Spróbkowane sygnały o długości N próbek pozyskiwane z bufora 3 są przesyłane bezprzewodowo w technologii Bluetooth do układu filtracji 4, w którym dzielone są na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o nieskończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm theta, alfa i beta oraz filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm niskich i wysokich fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości. Podzielone na pasma częstotliwości sygnały wysyłane są do układu pomiaru mocy 5, w którym poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu otrzymanego z wykorzystaniem metody analizy częstotliwościowej wyznaczany jest profil mocy sygnału w każdym z pasm częstotliwości, co najmniej w paśmie theta. Wyznaczone w układzie pomiaru mocy 5 profile mocy w każdym z pasm częstotliwości, poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu otrzymanego z wykorzystaniem metody analizy częstotliwościowej, i/lub potencjały wyznaczone w dziedzinie czasu poprzez obliczenie średniej amplitudy w obrębie segmentu n próbek, dodanie do niej wartości progowej i identyfikację miejsc, w których amplituda przekracza tę sumę, przesyłane są do układu klasyfikującego 11, działającego w oparciu o sztuczne sieci neuronowe, który dokonuje klasyfikacji na klasy, spośród których każda określa zbiór parametrów sygnału stymulującego, takich jak amplituda i częstotliwość prądu oraz czas trwania impulsu, i kontaktów, na których należy wykonać stymulację. Spektrogramy z układu pomiaru mocy 5 opcjonalnie przesyłane są do układu detekcji uszkodzeń 6, w którym z wykorzystaniem częstotliwościowej metody detekcji szumu wykrywane są niesprawne kontakty lub przewody, np. poprzez porównanie z wartością progową różnicy mediany dla każdego segmentu spektrogramu i mediany tych median i z wykorzystaniem częstotliwościowej metody detekcji aktywności epileptycznej / nieelektrofizjologicznej skutkującej efektem Gibbsa, polegającej np. na obliczeniu ilorazu wartości średniej z sumy wartości w spektrogramie i mediany z sumy wartości w spektrogramie a następnie porównaniu wyniku z wartością progową równą 2 dla bardzo subtelnego efektu Gibbsa i wartością równą 18 dla silnego efektu Gibbsa. Informacja o niesprawnych kontaktach lub przewodach przesyłana jest do układu kla syfikującego 11. Opcjonalność układu 6 polega na tym, że układ klasyfikujący 11 również może klasyfikować sygnał otrzymany z układu pomiaru mocy 5 pod kątem uszkodzeń kontaktów lub przewodów. Wówczas sygnały przesyłane są z pominięciem układu detekcji uszkodzeń 6. W oparciu o klasę zidentyfikowaną w układzie klasyfikującym 11 na podstawie informacji przesłanych z układu pomiaru mocy 5 oraz dane o optymalnych parametrach sygnału stymulującego i miejscach stymulacji z układu optymalizacji 10, działającego w oparciu o uczenie maszynowe, np. z wykorzystaniem metody uczenia indukcyjnego, układ decyzyjny 8 przesyła bezprzewodowo z wykorzystaniem technologii Bluetooth do układu generatora 9 informację o parametrach sygnału stymulującego do wygenerowania przez generator 9. W pamięci układu optymalizacji 10 zapisywana jest również informacja z układu klasyfikującego 11 o wybranej klasie określającej zbiór parametrów sygnału stymulującego i kontaktów, na których należy przeprowadzić stymulację. W pamięci układu optymal izacji 10 zapisywane są również profile mocy sygnału w każdym z pasm częstotliwości, pozyskane z układu pomiaru mocy 5.

Przykład 4 Budowa układu Jak pokazano na fig. 3 i 7 układ do poprawy funkcji poznawczych składa się z elektrody stymulującej z liczbą 100 kontaktów przewodzących prąd E rozmieszczonych geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10 x 10, na całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, wskazanego na fig. 1F, dokładnie wytyczonego wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG. Rozmieszczenie kontaktów przedstawiono na fig. 2. Kontakty umieszczone są na biokompatybilnym i niereaktywnym materiale przy użyciu np. technik litografii poliamidowej. Średnica kontaktów jest dostatecznie niska i wynosi mniej niż 100 mikrometrów, aby umożliwić odbieranie sygnałów LFP z poszczególnych kolumn korowych i dostatecznie wielka, aby umożliwić przewodzenie prądu stymulującego o bezpiecznym natężeniu, tj. maksymalnie 15 mA w przypadku stymulacji korowej i 5 mA w przypadku stymulacji głębinowej.

Jak pokazano na fig. 3, kontakty elektrody stymulującej E połączone są z układem akwizycji i stymulacji US, który połączony jest bezprzewodowo poprzez Bluetooth z układem przetwarzania UP na tablecie albo smartfonie, który z kolei połączony jest z układem analizy UN zrealizowanym w tej samej postaci, który połączony jest, bezprzewodowo, z układem akwizycji i stymulacji US. Układ akwizycji i stymulacji US w tym przykładzie stanowi jedno urządzenie stymulujące U1, a układy UP i UN wchodzą w skład drugiego urządzenia komputerowego U2. Układy US, UP i UN przedstawiono w szczegółach poniżej.

Jak pokazano na fig. 7, układ akwizycji i stymulacji US składa się z układu wyboru kontaktów 12, o poziomie szumu poniżej 2.5 μVRMS, wzmacniacza 1, dokonującego wzmocnienia sygnału pozyskanego z kontaktów elektrod oraz sygnału wygenerowanego przez generator 9 do wartości bezpiecznych w przypadku stymulacji korowej, tj. maks. 15 mA i w przypadku stymulacji podkorowej, tj. maks. 5 mA, konwertera analogowo-cyfrowego 2, bufora 3, zrealizowanego w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącego częścią pamięci operacyjnej układu, i układu generatora 9, służącego do generowania prądu stymulującego z zadaną amplitudą, częstotliwością i czasem trwania impulsu. Elektroda stymulująca E połączona jest ze wzmacniaczem 1, który połączony jest z konwerterem analogowo-cyfrowym 2, który z kolei połączony jest z buforem 3, który połączony jest bezprzewodowo z układem filtracji 4, znajdującym się w układzie przetwarzania UP. Układ filtracji 4, który dokonuje podziału sygnału na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o nieskończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm theta, alfa i beta oraz filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm niskich i wysokich fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości połączony jest z układem pomiaru mocy 5, w którym dla sygnałów co najmniej w paśmie częstotliwości theta, za pomocą metody analizy częstotliwościowej wyznaczany jest spektrogram, a następnie wyznaczany jest profil mocy poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu. Układ filtracji 4 połączony jest również z układem detekcji uszkodzeń 6. Układ detekcji uszkodzeń 6, który w tym przykładzie realizuje metodę czasową polegającą np. na odjęciu energii sygnału w wybranym paśmie od energii sygnału w sąsiadującym wyższym paśmie zawierającym częstotliwość podstawową lub harmoniczną prądu i porównaniu otrzymanej różnicy z wartością progową, połączony jest z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych 5, który z kolei połączony jest z układem klasyfikującym 11 i układem optymalizacji 10. Układ klasyfikujący 11 połączony jest z układem decyzyjnym 8 i układem optymalizacji 10. Dalej, połączenia układów są takie same, jak w przykładzie 2.

Sposób działania

Sygnał z elektrody stymulującej E z kontaktami rozmieszczonymi geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10 x 10, na całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, przedstawionym na fig. 1F, dokładnie wytyczonym wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG, jest przesyłany do wzmacniacza 1, który wraz z układem wyboru kontaktów 12, konwerterem analogowo-cyfrowym 2, z generatorem 9 i buforem 3, zrealizowanym w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącym częścią pamięci operacyjnej układu, stanowią część układu akwizycji i stymulacji US implantowanego w głowie lub klatce piersiowej pod obojczykiem, tak jak w przypadku znanych ze stanu techniki urządzeń do terapii Deep Brain Stimulation (DBS). Układ US zasilany jest baterią ładowaną bezprzewodowo lub baterią długoletnią do wymiany chirurgicznej, jak w przypadku urządzeń do terapii DBS. Zamienione na postać cyfrową sygnały w konwerterze analogowo-cyfrowym 2, przesyłane są do bufora 3, z którego pozyskiwane są i przesyłane bezprzewodowo w technologii Bluetooth do układu filtracji 4, w którym dzielone są na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o nieskończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm theta, alfa i beta oraz filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm niskich i wysokich fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości. Podzielone na pasma częstotliwości sygnały wysyłane są do układu pomiaru mocy 5, w którym poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu otrzymanego z wykorzystaniem metody analizy czę stotliwościowej wyznaczany jest profil mocy sygnału w każdym z pasm częstotliwości, co najmniej w paśmie theta. Sygnały podzielone według pasm częstotliwości w układzie filtracji 4 przesyłane są również do układu detekcji uszkodzeń 6, w którym wykrywane są niesprawne kontakty lub przewody, z wykorzystaniem czasowej metody detekcji zaszumienia sygnału, np. poprzez odjęcie energii sygnału w wybranym paśmie od energii sygnału w sąsiadującym wyższym paśmie zawierającym częstotliwość podstawową lub harmoniczną prądu i porównanie otrzymanej różnicy z progiem. W układzie pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych 5 wyznaczany jest profil mocy sygnału w każdym z pasm częstotliwości, poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu otrzymanego z wykorzystaniem metody analizy częstotliwościowej i/lub wyznaczane są potencjały polowe, poprzez wyznaczenie w dziedzinie czasu średniej amplitudy w obrębie seg mentu n próbek, dodanie do niej wartości progowej i identyfikację miejsc, w których amplituda przekracza tę sumę. Wyznaczone profile mocy w każdym z pasm częstotliwości i/lub potencjały przesyłane są do układu klasyfikującego 11, działającego w oparciu o sztuczne sieci neuronowe, który dokonuje klasyfikacji na klasy, spośród których każda określa zbiór parametrów sygnału stymulującego, takich jak amplituda i częstotliwość prądu oraz czas trwania impulsu, i kontaktów, na których należy wykonać stymulację. W oparciu o klasę zidentyfikowaną w układzie klasyfikującym 11 na podstawie informacji przesłanych z układu pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych 5 oraz dane o optymalnych parametrach sygnału stymulującego i miejscach stymulacji z układu optymalizacji 10, działającego w oparciu o uczenie maszynowe, np. z wykorzystaniem metody uczenia indukcyjnego, układ decyzyjny 8 przesyła, bezprzewodowo z wykorzystaniem technologii Bluetooth, do układu generatora 9 informację o parametrach sygnału stymulującego do wygenerowania przez generator 9. W pamięci układu optymalizacji 10 zapisywana jest również informacja z układu klasyfikującego 11 o wybranej klasie określającej zbiór parametrów sygnału stymulującego i kontaktów, na których należy przeprowadzić stymulację. W pamięci układu optymalizacji 10 zapisywane są również profile mocy sygnału i/lub liczba potencjałów w każdym z pasm częstotliwości, pozyskane z układu pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych 5. Dalej postępuje się tak samo, jak w przykładzie 2.

Claims (5)

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ do poprawy funkcji poznawczych mózgu człowieka w obszarze kory przedczołowej przedczołowej: przedniej, brzuszno-bocznej (anterior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca (pole Brodmanna 44 i 45), biegunem czołowym (pole Brodmanna 10 i 11) i przednią grzbietowo-boczną korą przedczołową (pole Brodmanna 46) i stymulacji w tych obszarach mózgu, znamienny tym, że zawiera co najmniej jedną elektrodę stymulującą (E), która połączona jest przewodowo lub bezprzewodowo, a także dwukierunkowo z układem akwizycji i stymulacji (US), który jest połączony z układem pr zetwarzania (UP), który połączony jest z układem analizy (UN), a co najmniej jedna elektroda stymulująca (E) posiada co najmniej jeden kontakt umożliwiający pozyskiwanie sygnału LFP lub która jest elektrodą EEG z jednym kontaktem, montowanym nieinwazyjnie na skalpie lub która jest makroelektrodą iEEG z jednym kontaktem montowanym w korze mózgowej lub na jej powierzchni, zaś układ analizy (UN) połączony jest zwrotnie z układem akwizycji i stymulacji (US), natomiast układ akwizycji i stymulacji (US), który połączony jest z elektrodą stymulującą (E) zawiera wzmacniacz (1), który połączony jest z konwerterem analogowo-cyfrowym (2), który powiązany jest z buforem (3) który z kolei powiązany jest z układem filtracji (4) w układzie przetwarzania (UP), zaś układ fil tracji (4) połączony jest z układem detekcji uszkodzeń (6) do wykrywania niesprawnych kontaktów elektrody stymulującej (E) lub przewodów, poprzez układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), w którym zaimplementowana jest znana metoda analizy częstot liwościowej sygnału, przy czym układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), połączony jest z układem progowym (7) znajdującym się w układzie analizy (UN), a ponadto układ progowy (7) połączony jest z układem decyzyjnym (8), zaś układ pomiaru mocy i/l ub potencjałów polowych (5) oraz układ progowy (7) połączone są z układem optymalizacji (10), który połączony jest dwukierunkowo z układem decyzyjnym (8), który połączony jest ze znajdującymi się w układzie akwizycji i stymulacji (US) generatorem (9), który połączony jest ze wzmacniaczem (1) oraz układ decyzyjny (8) połączony jest z układem wyboru kontaktów (12), przy czym wzmacniacz (1) również połączony jest z układem wyboru kontaktów (12), zaś układ wyboru kontaktów (12) połączony jest z elektrodą stymulującą (E).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że układ filtracji (4) połączony jest z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), w którym zaimplementowana jest znana metoda analizy częstotliwościowej sygnału, a ponadto układ filtracji połączony jest z układem detekcji uszkodzeń (6), zaś układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), połączony jest poprzez układ progowy (7) z układem decyzyjnym (8), który połączony jest dwukierunkowo z układem optymalizacji (10) znajdującym się w układzie analizy (UN), przy czym układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5) również połączony jest z układem optymalizacji (10), zaś układem decyzyjny (8) połączony jest ze znajdującymi się w układzie akwizycji i stymulacji (US) generatorem (9), który połączony jest ze wzmacniaczem (1) oraz układ decyzyjny (8) połączony jest z układem wyboru kontaktów (12), przy czym wzmacniacz (1) również połączony jest z układem wyboru kontaktów (12), zaś układ wyboru kontaktów (12) połączony jest z elektrodą stymulującą (E).

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że układ filtracji (4) połączony jest z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), w którym zaimplementowana jest znana metoda analizy częstotliwościowej sygnału, zaś układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), połączony jest z układem klasyfikującym (11) znajdującym się w układzie analizy (UN), przy czym układ klasyfikujący (11), połączony jest z układem decyzyjnym (8), który połączony jest dwukierunkowo z układem optymalizacji (10), a ponadto układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5) oraz układ kwalifikujący (11) połączone są z układem optymalizacji (10), a układ decyzyjny (8) połączony jest ze znajdującymi się w układzie akwizycji i stymulacji (US) generatorem (9), który połączony jest ze wzmacniaczem (1) oraz układ decyzyjny (8) połączony jest z układem wyboru kontaktów (12), przy czym wzmacniacz (1) również połączony jest z układem wyboru kontaktów (12), zaś układ wyboru kontaktów (12) połączony jest z elektrodą stymulującą (E).

4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5) połączony jest poprzez układ detekcji uszkodzeń (6) z układem klasyfikującym (11), przy czym układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5) połączony jest również bezpośrednio z układem klasyfikującym (11).

5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że układ filtracji (4) połączony jest z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), w którym zaimplementowana jest znana metoda analizy częstotliwościowej sygnału, a ponadto układ filtracji (4) połączony jest z układem detekcji uszkodzeń (6), zaś układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), połączony jest poprzez układ klasyfikujący (11) z układem decyzyjnym (8), który połączony jest dwukierunkowo z układem optymalizacji (10) znajdującym się w układzie analizy (UN), zaś układem decyzyjny (8) połączony jest ze znajdującymi się w układzie akwizycji i stymulacji (US) generatorem (9), który połączony jest ze wzmacniaczem (1) oraz układ decyzyjny (8) połączony jest z układem wyboru kontaktów (12), przy czym wzmacniacz (1) również połączony jest z układem wyboru kontaktów (12), zaś układ wyboru kontaktów (12) połączony jest z elektrodą stymulującą (E).