RU2793645C2 - Electrical charge compensation system, its application and method for intraoperative electrical stimulation and measurement of resulting electrical responses - Google Patents
Electrical charge compensation system, its application and method for intraoperative electrical stimulation and measurement of resulting electrical responses Download PDFInfo
- Publication number
- RU2793645C2 RU2793645C2 RU2019108343A RU2019108343A RU2793645C2 RU 2793645 C2 RU2793645 C2 RU 2793645C2 RU 2019108343 A RU2019108343 A RU 2019108343A RU 2019108343 A RU2019108343 A RU 2019108343A RU 2793645 C2 RU2793645 C2 RU 2793645C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stimulation
- current
- electrical
- load resistance
- stimulation current
- Prior art date
Links
Images
Abstract
SUBSTANCE: system for electrical charge compensation after generating impulses of a stimulating current and its application, a method for intraoperative electrical stimulation and measurement of the resulting electrical reactions in a load resistance in form of a tissue, organ or part of the patient's body. The system contains circuit elements, a bridge branch between two arms of the bridge circuit, and a current source. The bridge branch between the two arms of the circuit includes a load resistance in form of a tissue, organ or part of the patient's body. The current source is connected to the arms of the bridge circuit in such a way that, with the appropriate position of the switch, it allows the flow of electric current through the bridge branch along one arm and, further, through the other arm connected to the other end of the bridge branch, and is designed to generate a stimulation current pulse. The bridge branch contains a capacitive element for generating a current intended for electrical compensation of the charge caused by the impulses of the supplied stimulation current. The system is designed in such a way that a delay period is maintained between the stimulation current pulses and the discharge of the capacitive element through the stimulation electrode in order to electrically compensate the charge through the stimulation electrode. The period is used to measure the electrical physiological signals from the load resistance evoked in response to a stimulation current pulse. The system is designed in such a way that the measurement of physiological signals stimulated from the load resistance due to the action of the stimulation current pulse is carried out by means of the signal pickup electrode during the delay period at the time point corresponding to the absence of the stimulation current and the compensation current through the load resistance. Said pickup electrode is positioned at a location different from the point of electrical stimulation of the two arms. When executing the method of intraoperative electrical stimulation and measuring the resulting electrical reactions in the load resistance, an electrical charge compensation system is used to generate a stimulation current pulse and the resulting charge compensation current accumulated in a capacitive element connected in series with the load resistance. During the lag period characterized by the absence of stimulation current and charge compensation current, the electrical response of the load resistance is picked up and measured. The system is used to generate stimulation currents that affect the load resistance in form of a tissue, organ or part of the patient's body. In this case, the currents cause electrical physiological reactions in the load resistor, which can be picked up and measured.
Description
Изобретение относится к сфере медицинской техники, в частности, к системе, выполненной для электрической компенсации заряда после генерирования одного или нескольких импульсов стимуляционного тока, к применению указанной системы, а также к методу или способу интраоперационной электрической стимуляции и измерения результирующих электрических реакций в нагрузочном сопротивлении в виде тела или части тела пациента с использованием указанной системы.The invention relates to the field of medical technology, in particular, to a system designed for electrical charge compensation after generating one or more stimulation current pulses, to the use of this system, as well as to a method or method for intraoperative electrical stimulation and measurement of the resulting electrical reactions in the load resistance in the form of the body or body part of the patient using the specified system.
В немецком патенте DE 10 2013 010893 A1 описана система указанного выше типа, предназначенная для генерирования по меньшей мере двух разных стимуляционных токов предпочтительно противофазной полярности, причем система имеет четыре плеча, в которые при применении системы встроено нагрузочное сопротивление в виде пациента, части его тела, его ткани или органа, и причем система предназначена для генерирования стимуляционных токов, используемых для интраоперационной стимуляции. На прилагаемом к цитируемому патенту чертеже (фиг. 1) показано нагрузочное сопротивление R (например, часть тела пациента, в частности, его голова). Нагрузочное сопротивление R находится в плече моста 7. Схемные элементы S1 и S2, а также источники тока со схемными элементами IS1 и IS2 могут быть разомкнуты или замкнуты. Таким образом, H-мост обладает преимуществом двухфазного источника постоянного тока (например, используемого для стимуляции) при применении несимметричного питающего напряжения, поскольку благодаря переключению схемных элементов можно легко и чрезвычайно быстро менять местами оба места подключения нагрузки (полярность).In the
Кроме прочего в патенте DE 10 2013 010893 упоминается схема, в соответствии с которой в плече моста может находиться последовательно подключенный с нагрузочным сопротивлением конденсатор, который заряжается во время протекания тока через это плечо. Создаваемый во время протекания тока заряд непосредственно после этого мог бы уменьшаться(затухать), как показано на поясняющем уровень техники прилагаемом к настоящему описанию чертеже (фиг. 1).Among other things,
На фиг. 1 в качестве возможного, но не описанного в патенте DE 2013 0101893 A1 варианта схематически показана идеализированная результирующая токовая характеристика при стимуляции посредством импульса стимуляционного тока, включая кривую непосредственно следующего разряда пассивной ёмкости.In FIG. 1, as a possible variant, but not described in DE 2013 0101893 A1, schematically shows the idealized resulting current characteristic when stimulated by a stimulation current pulse, including the curve of the immediately following discharge of the passive capacitance.
Кроме того, в случае электрических цепей, используемых в медицинском устройстве для стимуляции, прежде всего для однополярной электрической стимуляции, существует опасность электролиза. Электролиз предотвращают благодаря тому, что непосредственно после стимуляции осуществляют поляризационную компенсацию посредством однонаправленного тока. Согласно патенту США US 4,373,531 данный негативный эффект пытаются уменьшить благодаря тому, что при активном разряде часть разряда реализуют еще до непосредственной стимуляции. Другие распространенные методы предусматривают подавление измерительных артефактов посредством вычитания шаблона артефакта из ответного сигнала (международная заявка WO 2016/057244), особые формы волны для минимизации артефактов (патент США US 9,107,585), так называемое «бланкирование» - отсутствие измерения, например, в течение периода разряда, например, при терапевтическом применении в электростимуляторах, и так далее (смотри, например, патенты США US 2015/223710 A1 и US 2017/147064 A1). В патенте США US 2014/134075 упоминаются периоды запаздывания между импульсами для компенсации заряда в случае имплантатов, однако об уменьшении артефакта для измеряемого сигнала не сообщается. В международной заявке WO 02/082982 А1 для уменьшения электрических артефактов при измерении неврональных реакций в случае имплантатов улитки уха используют импульсную схему, причем после стимуляции, разделенной на первую фазу с раздражающим воздействием первой полярности и вторую фазу с раздражающим воздействием противоположной полярности, реализуют дополнительную компенсаторную стимуляцию, целью которой является устранение остаточного заряда с противодействием стимуляционному артефакту, обусловленному электризацией ткани во время стимуляции.In addition, in the case of electrical circuits used in a medical device for stimulation, especially for unipolar electrical stimulation, there is a danger of electrolysis. Electrolysis is prevented by the fact that, immediately after stimulation, polarization compensation is carried out by means of a unidirectional current. According to US patent US 4,373,531, this negative effect is tried to be reduced due to the fact that with an active discharge, part of the discharge is implemented even before direct stimulation. Other common methods include the suppression of measurement artifacts by subtracting the artifact template from the response signal (International application WO 2016/057244), special waveforms to minimize artifacts (US patent US 9,107,585), the so-called "blanking" - the absence of measurement, for example, during the period discharge, for example, in therapeutic applications in electrical stimulators, and so on (see, for example, US patents US 2015/223710 A1 and US 2017/147064 A1). US Pat. No. 2014/134075 mentions inter-pulse lags for charge compensation in the case of implants, but does not report artifact reduction for the measured signal. In the international application WO 02/082982 A1, in order to reduce electrical artifacts when measuring neuronal reactions in the case of cochlear implants, a pulse circuit is used, and after stimulation, divided into a first phase with a stimulus of the first polarity and a second phase with an irritant of the opposite polarity, an additional compensatory stimulation, the purpose of which is to eliminate the residual charge while counteracting the stimulation artifact caused by tissue electrification during stimulation.
В публикации D.R. Merril и др. в J. Neurosci. Meth. 141, 2015, 171-198 описаны в общем случае причиняющие ущерб эффекты, в частности, коррозия электродов и так далее, а также их возможное устранение посредством противоположных зарядов при необходимости с периодом запаздывания между фазой стимуляции и встречным током для исключения подавления спайков.In a publication by D.R. Merril et al. in J. Neurosci. Meth. 141, 2015, 171-198 generally describe detrimental effects, in particular electrode corrosion and so on, as well as their possible elimination by means of opposite charges, if necessary, with a delay period between the stimulation phase and the counter current to avoid spike suppression.
Следует констатировать, что компенсация заряда в физиологических условиях негативно влияет на идентификацию вызванных стимуляцией потенциалов. При регистрации электрофизиологического ответа на нейростимуляцию с помощью методики измерения, предусматривающей использование техники сигнализации, электрофизиологические реакции (вызванный потенциал), в частности, случающиеся непосредственно после стимуляции ответы, перекрываются компенсацией заряда (кривая разряда переходного конденсатора), в связи с чем возникают измерительные артефакты.It should be noted that charge compensation under physiological conditions negatively affects the identification of stimulation-induced potentials. When recording the electrophysiological response to neurostimulation using a measurement technique involving the use of signaling techniques, the electrophysiological reactions (evoked potential), in particular, the responses that occur immediately after stimulation, are overlapped by charge compensation (discharge curve of the transient capacitor), and therefore measurement artifacts arise.
С учетом вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача предложить новые устройства и методы электрической стимуляции во время выполнения хирургических операций или для диагностики пациентов, которые для уменьшения или исключения электролитических эффектов позволяют генерировать токи, противоположные стимуляционному току, применяемому в виде стимуляционного(-ых) импульса(-ов), а также измерять обусловленные стимуляционным током физиологические электрические сигналы без измерительных артефактов.In view of the foregoing, the present invention was based on the task of providing new devices and methods of electrical stimulation during surgery or for diagnosing patients, which, in order to reduce or eliminate electrolytic effects, allow the generation of currents opposite to the stimulation current applied in the form of stimulation(s) impulse(s), as well as to measure the physiological electrical signals caused by the stimulation current without measuring artifacts.
Указанная задача решается с помощью предлагаемой в изобретении системы, выполненной для электрической компенсации заряда после генерирования одного или нескольких импульсов стимуляционного тока и содержащей мостовую схему, схемные элементы, ветвь моста между двумя плечами мостовой схемы, в которую может быть включено нагрузочное сопротивление, а также по меньшей мере один источник тока для генерирования по меньшей мере одного импульса стимуляционного тока, который соединен с плечами мостовой схемы таким образом, что при соответствующем положении переключателя он обеспечивает возможность протекания электрического тока через ветвь моста по одному плечу и, далее, по другому плечу, присоединенному к другому концу ветви моста, причем система отличается тем, что она содержит в ветви моста емкостный элемент для генерирования тока, предназначенного для электрической компенсации заряда, обусловленного одним или несколькими импульсами подводимого стимуляционного тока, и выполнена таким образом, что между одним или несколькими импульсами стимуляционного тока и разрядом емкостного элемента через один или несколько стимуляционных электродов выдерживается период запаздывания, который используют для измерения электрических физиологических сигналов, вызванных в качестве реакции на импульс(-ы) стимуляционного тока. Таким образом, измерение прежде всего осуществляют в течение периода времени, характеризующегося отсутствием непосредственного воздействия импульса(ов) стимуляционного тока и разряда ёмкости.This problem is solved using the system proposed in the invention, made for electrical charge compensation after generating one or more stimulation current pulses and containing a bridge circuit, circuit elements, a bridge branch between the two arms of the bridge circuit, in which a load resistance can be included, as well as at least one current source for generating at least one stimulation current pulse, which is connected to the arms of the bridge circuit in such a way that, with the appropriate switch position, it allows the flow of electric current through the bridge branch along one arm and, further, along the other arm connected to the other end of the bridge branch, and the system is characterized in that it contains in the bridge branch a capacitive element for generating a current intended to electrically compensate for the charge due to one or more impulses of the supplied stimulation current, and is designed in such a way that between one or more impulses of stimulation current and discharge of the capacitive element through one or more stimulation electrodes, a delay period is maintained, which is used to measure the electrical physiological signals evoked in response to the stimulation current pulse(s). Thus, the measurement is primarily carried out for a period of time characterized by the absence of direct influence of the stimulation current pulse(s) and the discharge of the capacitance.
Настоящее изобретение всегда обладает преимуществом прежде всего в случае расположения места электрической стимуляции и места отведения потенциала рядом друг с другом. В подобных ситуациях после инициирования раздражения можно ожидать особенно быстрого нейрофизиологического ответа, в связи с чем последний часто перекрывается одним или несколькими стимуляционными артефактами. При этом амплитуда артефакта нередко может существенно превышать амплитуду ожидаемого ответа. Благодаря реализуемой согласно изобретению задержке во время по меньшей мере части стимуляционного артефакта ответный потенциал может быть измерен в неподверженной или почти неподверженной воздействиям форме, а, следовательно, может быть визуализирован и проанализирован.The present invention is always advantageous especially in the case of locating the electrical stimulation site and the potential discharge site next to each other. In such situations, after the initiation of stimulation, a particularly rapid neurophysiological response can be expected, in connection with which the latter is often overridden by one or more stimulation artifacts. In this case, the amplitude of the artifact can often significantly exceed the amplitude of the expected response. Due to the delay implemented according to the invention during at least part of the stimulation artifact, the response potential can be measured in an unaffected or almost unaffected form and can therefore be visualized and analyzed.
Используемые выше и в последующем описании общие термины более подробно поясняются ниже, причем один, несколько или все общие термины могут быть заменены особыми дефинициями, что приводит к предпочтительным вариантам осуществления изобретения.Used above and in the following description of the General terms are explained in more detail below, and one, several or all of the General terms may be replaced by specific definitions, which leads to preferred embodiments of the invention.
Под «системами» подразумеваются системы приспособлений или приспособления, выполненные для реализации указанных выше и в дальнейшем описании целей, то есть содержат необходимые для этого средства, что достигается благодаря соответствующему аппаратурному обеспечению (подробно описанному ниже) и соответствующему программному обеспечению (прежде всего устанавливаемому в компьютере).By "systems" is meant systems of devices or devices made to achieve the above and further description of the goals, that is, contain the necessary means for this, which is achieved through appropriate hardware (detailed below) and appropriate software (primarily installed on a computer ).
Под электрической компенсацией заряда после генерирования одного или нескольких стимуляционных токов прежде всего имеется в виду, что сумма применяемых на стимуляционном(-ых) электроде(-ах) зарядов в случае генерирования стимуляционных токов по меньшей мере в основом компенсируется благодаря разряду емкостного элемента.Electrical charge compensation after the generation of one or more stimulation currents primarily means that the sum of the charges applied to the stimulation electrode(s) is at least substantially compensated by the discharge of the capacitive element in the case of generation of stimulation currents.
Предлагаемые в изобретении системы можно использовать, например, во время операции (интраоперационно, причем, например, возможен контроль целостности нервных путей, которые могли быть повреждены во время операции), или в диагностических целях, в общем случае для «нейромониторинга».The systems according to the invention can be used, for example, during surgery (intraoperatively, whereby, for example, monitoring of the integrity of nerve pathways that could be damaged during surgery is possible), or for diagnostic purposes, in general for "neuromonitoring".
Примерами соответствующего применения, не ограничивающими объем изобретения и относящимися только к предпочтительным вариантам его осуществления, являются D-волна, соматосенсорно вызванные потенциалы (SEP), например, троичного нерва, и моторные вызванные кортико-бульбарные потенциалы (СоМЕР).Non-limiting, non-limiting examples of the invention, and referring only to the preferred embodiments thereof, are D-wave, somatosensory evoked potentials (SEP), for example, of the ternary nerve, and corticobulbar motor evoked potentials (ComEP).
D-волна является непосредственным ответом спинного мозга на электрическую стимуляцию. В стандартной клинической практике подобное раздражение соответствует транкраниальной (проходящей через крышу черепа) электрической стимуляции двигательной коры головного мозга для инициирования соответствующей двигательной реакции на периферии. Затем D-волна посредством особых электродов (катетеров D-волны) может быть отведена непосредственно к спинному мозгу. Благодаря дополнительному отведению D-волны к моторным вызванным потенциалам непосредственно от мышц уже во время операции можно иметь детальное представление об ожидаемом послеоперационном двигательном состоянии пациента. Благодаря отведению D-волны при исчезновении отводимых от мышц вызванных потенциалов уже во время операции можно судить о том, будет ли пациент иметь временный или долгосрочный двигательный дефицит. Подобный метод находит применение главным образом при операциях непосредственно на спинном мозге, например, в случае опухолей спинного мозга. При этом можно устанавливать также два катетера D-волны: один каудально (ниже опухоли) для контроля проведения потенциалов в периферию и один краниально (выше опухоли) для технического контроля стимуляции, системы и других факторов воздействия.The D-wave is the direct response of the spinal cord to electrical stimulation. In standard clinical practice, such stimulation corresponds to transcranial (passing through the roof of the skull) electrical stimulation of the motor cortex to initiate the corresponding motor response in the periphery. The D-wave can then be led directly to the spinal cord by means of special electrodes (D-wave catheters). Due to the additional D-wave derivation to the motor evoked potentials directly from the muscles, even during the operation, it is possible to have a detailed idea of the expected postoperative motor state of the patient. Due to the D-wave diversion, when the evoked potentials removed from the muscles disappear already during the operation, it is possible to judge whether the patient will have a temporary or long-term motor deficit. This method finds application mainly in operations directly on the spinal cord, for example, in the case of tumors of the spinal cord. In this case, two D-wave catheters can also be installed: one caudally (below the tumor) to control the conduction of potentials to the periphery and one cranially (above the tumor) for technical control of stimulation, system and other factors of influence.
Прежде всего при очень дальнем краниальном расположении опухолей катетеры D-волн находятся относительно близко к месту стимуляции, и ответ ожидается в пределах очень короткого промежутка времени после раздражения (менее 10 мс). В частности, поскольку в этом случае транскраниальное стимулирование осуществляется посредством сильных токов, стимуляционные артефакты в отведении часто перекрывают D-волну. В этом случае однозначно идентифицировать и характеризовать D-волну не представляется возможным.First of all, with very distant cranial tumors, the D-wave catheters are relatively close to the stimulation site, and a response is expected within a very short time after stimulation (less than 10 ms). In particular, since transcranial pacing is performed with high currents in this case, pacing artifacts in the lead often overlap the D-wave. In this case, it is not possible to uniquely identify and characterize the D-wave.
Настоящее изобретения позволяет однозначно идентифицировать D-волну во всех случаях, прежде всего при дальнем краниальном расположении рабочих катетеров.The present invention makes it possible to uniquely identify the D-wave in all cases, especially in the case of a far cranial location of working catheters.
Под соматосенсорно вызванными потенциалами (SEP) подразумевается стимуляция чувствительного нерва на периферии и кортикальное отведение вызванного ответа (на голове). При этом особым случаем SEP являются соматосенсорно вызванные потенциалы после раздражения нерва N. Trigeminus. N. Trigeminus является пятым черепномозговым нервом, который прежде всего обеспечивает чувствительность участков лица. Вызванные потенциалы после раздражения N. Trigeminus, осуществляемого, например, посредством электрической стимуляции угла рта, могут отводиться через первично-чувствительную кору головного мозга. Поскольку образующиеся вследствие этого волны в отведении очень малы, необходимо усреднять несколько ответов. Благодаря этому сокращается влияние шума в сигнале, причем интересущий потребителя сигнал обладает более высокой четкостью. В зависимости от амплитуды первоначального сигнала требуется разное число усреднений. В случае SEP троичного нерва число усреднений обычно составляет от 50 до 200. При частоте повторения импульсов стимуляции, составляющей, например, 2,1 Гц, длительность приема и оценки сигнала составляет до 95 секунд. Наряду с этим место отведения в данном случае также расположено очень близко к месту стимуляции, в связи с чем возникающий вследствие стимуляции электрический артефакт очень сильно проявляется в отведенном сигнале и перекрывает непосредственный сенсорный ответ. Данный метод находит применение главным образом при нейрохирургических вмешательствах в области ствола мозга, позволяя судить о целостности чувствительной части N. Trigeminus. Благодаря настоящему изобретению стимуляционный артефакт при измерении становится гораздо меньшим и узким, что способствует более сильному проявлению сенсорного ответа (электрического физиологического ответа) в сигнале. Данное обстоятельство, во-первых, обусловливает возможность более легкой идентификации ответа в отведенном сигнале. Во-вторых, благодаря настоящему изобретению может быть уменьшено число усреднений при приеме сигнала, а, следовательно, сокращено время активизации измерительных сигналов.By somatosensory evoked potentials (SEP) is meant stimulation of the sensory nerve in the periphery and cortical abduction of the evoked response (on the head). In this case, a special case of SEP are somatosensory evoked potentials after N. Trigeminus nerve stimulation. N. trigeminus is the fifth cranial nerve, which primarily provides sensation to areas of the face. The evoked potentials after stimulation of N. trigeminus, carried out, for example, by electrical stimulation of the corner of the mouth, can be diverted through the primary sensitive cerebral cortex. Since the resulting waveforms in the lead are very small, several responses need to be averaged. This reduces the influence of noise in the signal, and the signal of interest to the consumer has a higher definition. Depending on the amplitude of the original signal, a different number of averages is required. In the case of ternary nerve SEP, the number of averages is typically between 50 and 200. At a pacing repetition rate of, for example, 2.1 Hz, the duration of signal acquisition and evaluation is up to 95 seconds. Along with this, the site of abduction in this case is also located very close to the site of stimulation, and therefore the electrical artifact resulting from stimulation is very pronounced in the abduction signal and overlaps the direct sensory response. This method is used mainly in neurosurgical interventions in the brainstem area, making it possible to judge the integrity of the sensitive part of N. trigeminus. Thanks to the present invention, the stimulation artifact in the measurement becomes much smaller and narrower, which contributes to a stronger manifestation of the sensory response (electrical physiological response) in the signal. This circumstance, firstly, makes it easier to identify the response in the assigned signal. Secondly, thanks to the present invention, the number of averagings during signal reception can be reduced, and, consequently, the activation time of the measurement signals can be reduced.
Моторные вызванные потенциалы (МЕР) могут быть обусловлены электрической стимуляцией двигательной коры головного мозга. Подобную стимуляцию можно осуществлять, например, транскраниально. В этом случае моторный ответ можно отводить от соответствующих мышц посредством игольчатого(-ых) или поверхностного(-ых) электрода(-ов). Особым случаем МЕР являются кортико-бульбарные моторные вызванные потенциалы (СоМЕР). При этом после стимуляции двигательной коры головного мозга сигнал поступает к соответствующим целевым мышцам по кортико-бульбарному пути и двигательным черепномозговым нервам. В данном случае электрические физиологические сигналы отводят прежде всего от мышц лица, рта, носоглотки, шеи и затылка. В связи с близким взаимным расположением мест стимуляции и отведения и необходимыми для данного метода параметрами стимуляции двигательный ответ можно ожидать по истечении очень короткого промежутка времени после воздействия стимуляционного импульса, причем стимуляционный артефакт в отведении проявляется чрезвычайно сильно. В соответствии с этим прежде всего незначительные двигательные ответы часто перекрываются выраженными стимуляционными артефактами. Кортико-бульбарные моторные вызванные потенциалы прежде всего используют при нейрохирургических вмешательствах в области ствола мозга, причем они позволяют судить о состоянии двигательных черепномозговых нервов. Настоящее изобретение позволяет существенно уменьшить стимуляционные артефакты. В соответствии с этим оказывается возможной также беспроблемная идентификация слабых и быстрых моторных ответов.Motor evoked potentials (MERs) can be caused by electrical stimulation of the motor cortex. Such stimulation can be carried out, for example, transcranially. In this case, the motor response can be diverted from the respective muscles by means of needle(s) or surface(s) electrode(s). A special case of MEPs are corticobulbar motor evoked potentials (ComEPs). In this case, after stimulation of the motor cortex, the signal arrives at the corresponding target muscles along the cortico-bulbar tract and motor cranial nerves. In this case, electrical physiological signals are diverted primarily from the muscles of the face, mouth, nasopharynx, neck and occiput. Due to the close relative position of the stimulation and abduction sites and the stimulation parameters required for this method, a motor response can be expected after a very short period of time after exposure to a stimulation pulse, and the stimulation artifact in the abduction is extremely pronounced. In accordance with this, primarily minor motor responses are often overlaid by pronounced stimulation artifacts. Cortico-bulbar motor evoked potentials are primarily used in neurosurgical interventions in the region of the brain stem, and they make it possible to judge the state of the motor cranial nerves. The present invention can significantly reduce stimulation artifacts. In accordance with this, it is also possible to easily identify weak and fast motor responses.
Приведенные выше варианты осуществления изобретения являются примерами предпочтительного использования предлагаемой в изобретении системы в сфере диагностики, прежде всего интраоперационной диагностики.The above embodiments of the invention are examples of the preferred use of the system according to the invention in the field of diagnostics, especially intraoperative diagnostics.
Предлагаемая в изобретении схема предпочтительно является Н-мостовой схемой (в случае более двух источников тока она соответственно может иметь также большее количество плечей и схемных элементов), включающей один источник тока или предпочтительно два или более источника тока, которые в случае фазы нулевого тока находятся в неактивном состоянии, что позволяет экономить ток. Подобная схема приводится в немецком патенте DE 10 2013 010893 A1, который следует считать соответствующей ссылкой. Согласно настоящему изобретению мостовая схема включает последовательно соединенную с нагрузочным сопротивлением ёмкость, в частности, в виде конденсатора, причем мостовая схема выполнена таким образом, что заряд, подводимый во время импульса тока или последовательности импульсов тока, компенсируется посредством ёмкости благодаря обратному току лишь по истечении периода запаздывания после стимуляционного импульса, причем период запаздывания характеризуется отсутствием стимуляционного тока и разрядного тока.The circuit according to the invention is preferably an H-bridge circuit (in the case of more than two current sources, it can accordingly also have more arms and circuit elements), including one current source or preferably two or more current sources, which in the case of a zero current phase are in inactive state, which saves current. A similar scheme is given in the
Схемные элементы обеспечивают возможность направленного течения токов (прежде всего стимуляционных токов) по ветвям мостовой схемы, а в случае стимуляции или разряда конденсатора также через нагрузочное сопротивление. При этом управление схемными элементами и источниками тока с помощью компьютера, то есть посредством компьютерного программирования, предпочтительно осуществляют таким образом, чтобы полный разряд ёмкости (обратное течение тока вследствие разряда ёмкости) после одного или нескольких импульсов стимуляционного тока был возможен только с запаздыванием относительно конечного момента времени соответствующего последнего импульса стимуляционного тока.The circuit elements provide the possibility of a directed flow of currents (primarily stimulation currents) along the branches of the bridge circuit, and in the case of stimulation or discharge of the capacitor also through the load resistance. At the same time, the control of circuit elements and current sources using a computer, that is, by means of computer programming, is preferably carried out in such a way that a complete discharge of the capacitance (reverse current flow due to the discharge of the capacitance) after one or several impulses of the stimulation current is possible only with a delay relative to the end moment the time of the corresponding last impulse of the stimulation current.
Нагрузочное сопротивление, которым, как указано выше, является пациент, одна или несколько частей его тела (например, шея, плечо, нога или голова), его ткань или орган, во время диагностического исследования, в частности, во время операции можно соединять с электродами обычно разомкнутой ветви моста.Load resistance, which, as indicated above, is the patient, one or more parts of his body (for example, neck, shoulder, leg or head), his tissue or organ, during a diagnostic study, in particular during surgery, can be connected to electrodes usually open branch of the bridge.
Пациентом является подлежащее исследованию животное (например, млекопитающее) или прежде всего подлежащий исследованию человек, который может быть здоров или болен.A patient is an animal (eg a mammal) to be tested, or in particular a human being to be tested, which may be healthy or ill.
По меньшей мере один источник тока для генерирования импульса стимуляционного тока, соединен с плечами мостовой схемы таким образом, что при соответствующей коммутации мостовая схема обеспечивает возможность протекания электрического тока по одному плечу ветви моста и далее по другому плечу, присоединенному к другому концу ветви моста.At least one current source for generating a stimulation current pulse is connected to the arms of the bridge circuit in such a way that, with appropriate switching, the bridge circuit allows electric current to flow along one arm of the bridge branch and further along the other arm connected to the other end of the bridge branch.
Емкостным элементом, который находится в ветви моста вместе с помещаемым (в случае функционирования системы - помещенным) в нее нагрузочным сопротивлением и который предназначен для генерирования тока, используемого для электрической компенсации заряда, предпочтительно является по меньшей мере один последовательно соединенный с нагрузочным сопротивлением конденсатор, например, керамический конденсатор, пленочный конденсатор, конденсатор переменной емкости или конденсатор большой ёмкости. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения ёмкость конденсатора составляет от 100 нФ до 100 мкФ.The capacitive element, which is located in the branch of the bridge together with the load resistance placed (in the case of operation of the system - placed) in it and which is intended to generate a current used for electrical charge compensation, is preferably at least one capacitor connected in series with the load resistance, for example , ceramic capacitor, film capacitor, variable capacitor or large capacitor. In preferred embodiments of the invention, the capacitance of the capacitor is from 100 nF to 100 μF.
Под одним или несколькими импульсами стимуляционного тока имеется в виду, в частности, от одного до двадцати, например, от одного до пяти импульсов стимуляционного тока (в случае нескольких импульсов стимуляционного тока речь идет о последовательности импульсов стимуляционного тока), которые могут обладать также разными фазами (разными полярностями) при условии, что они не могут быть вызваны полной компенсацией заряда на стимуляционном(-ых) электроде(-ах) (и соответствующих противоположных электродах). До или после импульса стимуляционного тока или последовательности импульсов стимуляционного тока могут быть сгенерированы другие импульсы стимуляционного тока или последовательности импульсов стимуляционного тока, которые также могут быть компенсированы с запаздыванием, то есть возможно многократное последовательное осуществление стимуляции, запаздывающей токовой компенсации и измерения.By one or more stimulation current pulses is meant, in particular, from one to twenty, for example, from one to five stimulation current pulses (in the case of several stimulation current pulses, this is a sequence of stimulation current pulses), which can also have different phases. (different polarities) provided that they cannot be caused by full charge compensation on the stimulation electrode(s) (and corresponding opposite electrodes). Before or after the stimulation current pulse or stimulation current pulse train, other stimulation current pulses or stimulation current pulse trains can be generated, which can also be compensated with a delay, i.e. multiple successive stimulation, delayed current compensation and measurement are possible.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения (предпочтительно программируемая) ширина(длительность) импульса стимуляционного тока предпочтительно составляет от 0,01 до 150 мс, предпочтительно от 50 до 2000 мкс, в частности, от 200 до 1200 мкс. Во всех вариантах осуществления изобретения период запаздывания, в течение которого отсутствует протекание компенсационного тока, предпочтительно составляет от 1 до 1000 мс, в частности, от 1 до 100 мс. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения длительность пауз между отдельными импульсами стимуляционного тока (предпочтительно программируемые промежутки времени между стимуляционным импульсами - ISI) предпочтительно составляют от 2 до 4 мс. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения предпочтительно программируемая общая длительность последовательности импульсов составляет от 50 мкс до 116 мс (например, при ширине импульса до 2000 мкс, ISI, равном 4 мс, и двадцати импульсах), в частности, от 200 мкс (1 импульс шириной 200 мкс) до 27,2 мс (например, при ширине импульса до 1200 мкс, шести импульсах и ISI, равном 4 мс), в частности, от 2 до 50 мс.In preferred embodiments, the (preferably programmable) width (duration) of the stimulation current pulse is preferably 0.01 to 150 ms, preferably 50 to 2000 µs, in particular 200 to 1200 µs. In all embodiments of the invention, the delay period during which no compensation current flows is preferably from 1 to 1000 ms, in particular from 1 to 100 ms. In preferred embodiments of the invention, the duration of the pauses between individual stimulation current pulses (preferably programmable time intervals between stimulation pulses - ISI) is preferably between 2 and 4 ms. In preferred embodiments of the invention, the preferably programmable total duration of the pulse train is from 50 µs to 116 ms (for example, with a pulse width of up to 2000 µs, an ISI of 4 ms, and twenty pulses), in particular, from 200 µs (1 pulse width of 200 µs) up to 27.2 ms (for example, with a pulse width of up to 1200 µs, six pulses and an ISI of 4 ms), in particular from 2 to 50 ms.
Для конструирования системы, выполняемой таким образом, чтобы между одним или несколькими импульсами стимуляционного тока и разрядом емкостного элемента через один или несколько стимуляционных электродов соблюдался период запаздывания, предусматривается программирование (предпочтительно посредством программного средства и встроенного компьютера) контролльного устройства, контролирующего схемные элементы, источники тока и протекание электрических токов в системе и также являющегося составной частью системы, причем подобное контрольное устройство:To design a system that is performed in such a way that between one or more impulses of the stimulation current and the discharge of the capacitive element through one or more stimulation electrodes, a delay period is observed, programming (preferably by means of software and an embedded computer) of a control device that controls circuit elements, current sources and the flow of electric currents in the system and also being an integral part of the system, and such a control device:
а) проводит через ветвь моста с помещаемым в нее нагрузочным сопротивлением очень слабый ток подзарядки (в предпочтительных вариантах сила этого тока составляет от 1 до 100 мкА), который во много раз (например, от 10000 до 200000 раз) слабее стимуляционного тока или суммы стимуляционных токов, после которых реализуют период запаздывания, который (ток подзарядки) поддерживает конденсатор в заряженном состоянии в течение периода запаздывания (сила стимуляционного тока может составлять, например, 100 мА, в то время как сила тока подзарядки может составлять, например, 4 мкА), илиa) conducts through the branch of the bridge with a load resistance placed in it a very weak recharge current (in the preferred embodiments, the strength of this current is from 1 to 100 μA), which is many times (for example, from 10,000 to 200,000 times) weaker than the stimulation current or the sum of stimulation currents, after which a delay period is implemented, which (recharging current) keeps the capacitor charged during the delay period (stimulation current may be, for example, 100 mA, while the recharge current may be, for example, 4 μA), or
b) посредством (при необходимости замкнутых) задействованных схемных элементов полностью прекращает любое протекание тока через ветвь моста с помещаемым в ней нагрузочным сопротивлением в течение периода запаздывания, причем лишь по истечении этого периода благодаря замыканию задействованных схемных элементов становится возможным вытекание разрядного тока из конденсатора.b) by means of (if necessary closed) circuit elements involved, completely stops any flow of current through the bridge branch with the load resistance placed in it during a delay period, and only after this period has elapsed, due to the closing of the involved circuit elements, does it become possible for the discharge current to flow out of the capacitor.
Предполагаемое для включения в соответствующую ветвь моста нагрузочное сопротивление (соответственно нагрузочное сопротивление, которое может быть в нее помещено) в случае практического применения на пациентах (измерения и стимулирования посредством импульсов стимуляционного тока) следует рассматривать в качестве находящегося в ветви моста, последовательно соединенного с ним составного элемента.The load resistance intended for inclusion in the corresponding branch of the bridge (respectively, the load resistance that can be placed in it) in the case of practical use on patients (measurement and stimulation by means of stimulation current pulses) should be considered as a bridge located in the branch, connected in series with it element.
Электроды, используемые для подведения импульса(-ов) стимуляционного тока, можно использовать также и для измерения физиологических сигналов, причем физиологически обусловленные токи в этом случае отводят не по ветви моста с помещаемым (в случае практического применения помещенным) в нее нагрузочным сопротивлением, а посредством контрольного устройства через встроенный в него или отдельный измерительный блок по одному или нескольким отдельным линиям (также предпочтительно включаемым и отключаемым), причем речь может идти об инвазивных или неинвазивных электродах.The electrodes used for supplying the stimulation current pulse(s) can also be used to measure physiological signals, in which case the physiologically determined currents are not diverted along the branch of the bridge with a load resistance placed (in the case of practical use placed) in it, but by means of control device through a built-in or a separate measuring unit via one or more separate lines (also preferably switched on and off), and we can talk about invasive or non-invasive electrodes.
В качестве электродов, в частности, используют игольчатые электроды варьируемой формы (прямые, скошенные, штопорообразные), а также поверхностные или клеящиеся электроды. Посредством электродов измеряют разность напряжений (например, по порядку величины составляющую от 1 нВ до 1000 мВ), которая возникает вследствие физиологической активности или мышечного движения. Подобную разность напряжений можно отводить либо от поверхности тела, либо инвазивно, например, непосредственно от мышцы.As electrodes, in particular, needle electrodes of variable shape (straight, beveled, corkscrew), as well as surface or adhesive electrodes are used. The electrodes measure the voltage difference (for example, in order of magnitude from 1 nV to 1000 mV) that occurs due to physiological activity or muscle movement. Such a voltage difference can be removed either from the surface of the body, or invasively, for example, directly from the muscle.
Указанным выше образом можно генерировать и отводить максимально невозмущенные физиологические измеряемые сигналы или соответствующие электрофизиологические сигналы (токи), например, ЭМГ-сигналы, потенциалы действия от нервов и т.д.. Эти сигналы затем могут быть визуализированы исследователями или хирургами с помощью устройства для отображения информации и при необходимости используемого блока памяти (например, в виде численных значений, графических изображений или посредством цветного кода, например, светового прибора с зеленой индикацией сигнала здоровья, желтой индикацией подозрительного сигнала или красной индикацией сигнала патологии), и/или могут оказаться доступными иным образом, в некоторых случаях лишь после запоминания и оценки результатов измерения, предоставляя в распоряжение исследователей или хирургов необходимую для реализации диагностических или интраоперационных мероприятий информацию, например, касающуюся целостности или функционирования нервов или органов. Указанные сигналы с целью их последующей оценки могут быть также сохранены с помощью при необходимости используемого блока памяти, который может являться составной частью системы.In the above manner, maximally unperturbed physiological measurable signals or corresponding electrophysiological signals (currents) such as EMG signals, action potentials from nerves, etc. can be generated and removed. These signals can then be visualized by researchers or surgeons using a display device. information and, if necessary, the memory block used (for example, in the form of numerical values, graphical representations, or by means of a color code, for example, a light device with a green indication of a health signal, a yellow indication of a suspicious signal, or a red indication of a pathology signal), and/or may be otherwise available Thus, in some cases, only after memorization and evaluation of the measurement results, providing researchers or surgeons with the information necessary for the implementation of diagnostic or intraoperative measures, for example, regarding the integrity or functioning of nerves or organs. These signals can also be stored with the help of a memory unit used if necessary, which can be an integral part of the system, for the purpose of their subsequent evaluation.
В случае если речь идет об одном или нескольких импульсах стимуляционного тока, это относится как к отдельному однофазному или двухфазному импульсу стимуляционного тока, так и к последовательности подобных импульсов.When it comes to one or more stimulation current pulses, this applies both to a single single-phase or two-phase stimulation current pulse, and to a sequence of such pulses.
Длительность стимуляционного импульса или последовательности стимуляционных импульсов в любых вариантах осуществления изобретения предпочтительно составляет от 0,01 до 150 мс, в частности, от 0,2 до 30 мс.The duration of the stimulation pulse or sequence of stimulation pulses in any embodiments of the invention is preferably from 0.01 to 150 ms, in particular from 0.2 to 30 ms.
Другой вариант осуществления изобретения относится к методу стимуляции, в частности, интраоперационной стимуляции, в соответствии с которым для генерирования импульсов стимуляционного тока используют указанную выше или в последующем описании предлагаемую в изобретении систему и измеряют реакцию эффекторного органа, например, сокращение и/или сжатие мышц, или, в частности, электрофизиологический, например, электромиографический сигнал, или вызванный потенциал, что позволяет проверить, цела ли или полностью или частично повреждена нервная связь или область мозга в качестве предпосылки для проведения раздражения к эффекторной части тела, эффекторной ткани или эффекторному органу или для формирования необходимого для этого раздражения.Another embodiment of the invention relates to a method of stimulation, in particular intraoperative stimulation, according to which the system of the invention described above or in the following description is used to generate stimulation current pulses and the reaction of the effector organ is measured, for example, contraction and / or contraction of muscles, or, in particular, an electrophysiological, for example, an electromyographic signal, or an evoked potential, which makes it possible to check whether a nerve connection or brain region is intact or completely or partially damaged as a prerequisite for conducting stimulation to an effector part of the body, an effector tissue or an effector organ, or for the formation of the necessary stimulation for this.
Другой вариант осуществления изобретения относится к способу определения повреждения нервной связи или области мозга, в частности, к способу соответствующего интраоперационного определения, предусматривающему применение указанного выше метода.Another embodiment of the invention relates to a method for determining damage to a nerve connection or brain region, in particular, to a method for an appropriate intraoperative determination, involving the use of the above method.
Изобретение относится также к применению описанной выше и ниже предлагаемой в изобретении системы, в соответствии с которым ее применяют для генерирования воздействующих на пациента стимуляционных токов и предпочтительно измеряют реакцию эффекторного органа, например, сокращение и/или сжатие мышц, или, в частности, электрофизиологический, например, электромиографический сигнал, или вызванный потенциал, что позволяет проверить, цела ли или полностью или частично повреждена нервная связь или область мозга в качестве предпосылки для проведения раздражения к эффекторной части тела, эффекторной ткани или эффекторному органу или для формирования необходимого для этого раздражения.The invention also relates to the use of the system according to the invention described above and below, according to which it is used to generate stimulation currents acting on the patient and preferably the response of the effector organ is measured, for example, muscle contraction and / or contraction, or, in particular, electrophysiological, for example, an electromyographic signal, or an evoked potential, which allows you to check whether a nerve connection or brain area is intact or completely or partially damaged as a prerequisite for conducting a stimulus to an effector body part, effector tissue or effector organ or for generating the stimulus necessary for this.
Предпочтительно (в особом предлагаемом в изобретении варианте) мостовой схемой предлагаемой в изобретении системы является Н-мостовая схема с четырьмя плечами.Preferably (in a particular embodiment of the invention) the bridge circuit of the system according to the invention is a four-arm H-bridge circuit.
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система в качестве нагрузочного сопротивления имеет ткань, орган и/или часть тела пациента, которые последовательно соединены с ветвью моста посредством одного или нескольких стимуляционных электродов.In another preferred embodiment, the system according to the invention described above and below has as a load resistance a tissue, organ and/or part of the patient's body, which are connected in series with the bridge branch by means of one or more stimulation electrodes.
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система выполнена таким образом, что до и/или после одного или нескольких импульсов стимуляционного тока емкостный элемент, последовательно соединенный в плече моста с нагрузочным сопротивлением, разряжается после периода запаздывания таким образом, что для электрической компенсации заряда в зоне нагрузочного сопротивления, в частности, ткани или органе пациента, высвобождается компенсационный ток с полярностью, противоположной по меньшей мере одному импульсу стимуляционного тока или сумме импульсов стимуляционного тока.In another preferred embodiment, the system according to the invention described above and below is designed in such a way that before and/or after one or more impulses of the stimulation current, the capacitive element connected in series in the arm of the bridge with the load resistance is discharged after a delay period in such a way that for the electrical charge compensation in the zone of load resistance, in particular, the patient's tissue or organ, a compensation current is released with a polarity opposite to at least one stimulation current pulse or the sum of the stimulation current pulses.
В другом предпочтительном варианте емкостным элементом описанной выше и ниже предлагаемой в изобретении системы является конденсатор, в частности, такой, как указано выше.In another preferred embodiment, the capacitance element of the system according to the invention described above and below is a capacitor, in particular as described above.
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система выполнена таким образом, что течение тока между импульсом(-ами) стимуляционного тока и компенсационным(-и) током(-ами) прерывается через нагрузочное сопротивление.In another preferred embodiment, the system described above and below according to the invention is designed in such a way that the current flow between the stimulation current pulse(s) and the compensation current(s) is interrupted via a load resistor.
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система выполнена таким образом, что измерение физиологических (в частности, электрофизиологических) сигналов, вызванных из нагрузочного сопротивления благодаря воздействию импульса(-ов) стимуляционного тока, выполняют посредством по меньшей мере одного отводящего сигнал электрода в течение периода запаздывания в момент времени, которому соответствует отсутствие пропускания стимуляционного тока и компенсационного тока через нагрузочное сопротивление.In another preferred embodiment, the system described above and below according to the invention is designed in such a way that the measurement of the physiological (in particular electrophysiological) signals evoked from the load resistance by the action of the stimulation current pulse(s) is carried out by means of at least one signal-removing electrode. during the delay period at the moment of time, which corresponds to the absence of the passage of stimulation current and compensation current through the load resistance.
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система сконструирована таким образом, что для сохранения заряда в емкостном элементе в течение периода запаздывания до или прежде всего после импульса(-ов) стимуляционного тока через элемент моста и нагрузочное сопротивление пропускают слабый ток подзарядки, обладающий меньшей силой, чем стимуляционный ток (в пересчете на его максимальную силу), однако имеющий такое же направление (такую же полярность), и препятствующий вытеканию компенсационного(-ых) тока(-ов) из емкостного элемента во время течения тока подзарядки.In another preferred embodiment, the inventive system described above and below is designed in such a way that, in order to maintain charge in the capacitance element during a delay period before or primarily after the stimulation current pulse(s), a small recharge current is passed through the bridge element and the load resistor, having less strength than the stimulation current (in terms of its maximum strength), but having the same direction (same polarity), and preventing the compensation current(s) from flowing out of the capacitive element during the flow of the charging current.
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система выполнена (в частности, запрограммирована) таким образом, что как только возникает необходимость в пропускании компенсационного тока, ток подзарядки отключается.In another preferred embodiment, the system according to the invention described above and below is configured (particularly programmed) in such a way that as soon as the compensating current is required, the charging current is switched off.
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система отличается тем, что схемные элементы функционируют таким образом, что благодаря их (надлежащей) настройке компенсационный ток не может течь через ветвь моста с нагрузочным сопротивлением в течение периода запаздывания, характеризующегося отсутствием импульсов стимуляционного тока, до или в частности после одного или нескольких импульсов стимуляционного тока, причем в течение периода запаздывания между компенсационным током(-ами) и импульсом(-ами) стимуляционного тока, характеризующегося отсутствием импульсов тока, отводят и измеряют вызванные одним или несколькими импульсами стимуляционного тока электрические, в частности, электрофизиологические сигналы нагрузочного сопротивления.In another preferred embodiment, the system described above and below is characterized by the fact that the circuit elements function in such a way that, due to their (proper) setting, the compensation current cannot flow through the bridge branch with the load resistance during a delay period characterized by the absence of stimulation current pulses. , before or in particular after one or more stimulation current pulses, and during the delay period between the compensation current(s) and the stimulation current pulse(s), characterized by the absence of current pulses, the electrical in particular, electrophysiological signals of load resistance.
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система отличается тем, что настройка схемных элементов управляется внедренной в систему (в частности, в контрольное устройство) компьютерной программой.In another preferred embodiment, the system according to the invention described above and below is characterized in that the setting of the circuit elements is controlled by a computer program embedded in the system (in particular the control device).
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система выполнена таким образом, что длительность импульса стимуляционного тока или последовательности импульсов стимуляционного тока составляет от 0,01 до 150 мс, в частности, от 0,2 до 30 мс, а период запаздывания, в течение которого не может течь компенсационный ток, составляет от 1 до 1000 мс, в частности, от 1 до 100 мс.In another preferred embodiment, the system described above and below according to the invention is designed in such a way that the duration of the stimulation current pulse or sequence of stimulation current pulses is from 0.01 to 150 ms, in particular from 0.2 to 30 ms, and the delay period, during which no compensation current can flow is between 1 and 1000 ms, in particular between 1 and 100 ms.
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система отличается тем, что используемый в качестве источника тока по меньшей мере один однофазный источник тока с низким потреблением тока покоя присоединен посредством (предлагаемого в изобретении) Н-моста таким образом, что он становится активным лишь в период генерирования импульса стимуляционного тока или последовательности импульсов стимуляционного тока, причем для экономии энергии он активируется лишь непосредственно перед генерированием импульса(-ов) стимуляционного тока.In another preferred embodiment, the system according to the invention described above and below is characterized in that at least one single-phase current source with low quiescent current consumption used as a power source is connected via an (inventive) H-bridge in such a way that it becomes active only during the generation of the stimulation current pulse or sequence of stimulation current pulses, and to save energy, it is activated only immediately before the generation of the stimulation current pulse(s).
В другом предпочтительном варианте описанная выше и ниже предлагаемая в изобретении система включает два однофазных источника тока с низким потреблением тока, которые присоединены таким образом, что в период стимуляции импульс стимуляционного тока или последовательность импульсов стимуляционного тока через нагрузочное сопротивление может посылать соответственно только один из источников тока.In another preferred embodiment, the system described above and below according to the invention comprises two single-phase, low-current current sources, which are connected in such a way that, during the stimulation period, only one of the current sources, respectively, can send a stimulation current pulse or sequence of stimulation current pulses through the load resistor. .
Другим объектом настоящего изобретения является метод или способ интраоперационной электрической стимуляции и измерения результирующих электрических реакций в нагрузочном сопротивлении в виде тела или частей тела пациента, в соответствии с которым описанную выше и ниже предлагаемую в изобретении систему используют для генерирования по меньшей мере одного импульса стимуляционного тока и по меньшей мере одного обусловленнного последним тока компенсации заряда, накапливаемого в последовательно соединененном с нагрузочным сопротивлением емкостном элементе, причем в течение периода запаздывания, характеризующегося отсутствием стимуляционного тока и тока компенсации заряда, отводят и измеряют электрическую реакцию нагрузочного сопротивления.Another object of the present invention is a method or method for intraoperative electrical stimulation and measurement of the resulting electrical responses in the load resistance in the form of the patient's body or body parts, according to which the system described above and below proposed in the invention is used to generate at least one stimulation current pulse and at least one charge compensation current caused by the latter, accumulated in a capacitive element connected in series with the load resistance, and during the delay period, characterized by the absence of stimulation current and charge compensation current, the electrical response of the load resistance is withdrawn and measured.
Другой предпочтительный вариант осуществления изобретения относится к применению описанной выше и ниже предлагаемой в изобретении системы для генерирования по меньшей мере одного импульса стимуляционного тока и по меньшей мере одного обусловленного последним тока компенсации заряда, накапливаемого в последовательно соединененном с нагрузочным сопротивлением емкостном элементе, причем в течение периода запаздывания, характеризующегося отсутствием стимуляционного тока и тока компенсации заряда, отводят и измеряют электрическую реакцию нагрузочного сопротивления.Another preferred embodiment of the invention relates to the use of the system according to the invention described above and below for generating at least one stimulation current pulse and at least one charge compensation current determined by the latter, accumulated in a capacitive element connected in series with a load resistor, moreover during a period delay, characterized by the absence of stimulation current and charge compensation current, are removed and the electrical response of the load resistance is measured.
Другим объектом настоящего изобретения является применение описанной выше и ниже предлагаемой в изобретении системы для генерирования стимуляционных токов, которые воздействуют на пациента и вызывают в нем электрическую реакцию, которая может быть отведена и измерена.Another object of the present invention is the use of the inventive system described above and below for generating stimulation currents which act on the patient and induce an electrical response in the patient which can be tapped and measured.
Изобретение относится также к любым комбинациям предпочтительных вариантов его осуществления при условии, что последние не являются взаимоисключающими.The invention also relates to any combination of preferred embodiments provided that the latter are not mutually exclusive.
Другие особые варианты осуществления изобретения представлены в формуле изобретения и, в частности, в соответствующих зависимых пунктах, а также в примерах осуществления особых вариантов изобретения. При этом следует сослаться на соответствующие пункты формулы изобретения.Other specific embodiments of the invention are presented in the claims and, in particular, in the respective dependent claims, as well as in the exemplary embodiments of the specific embodiments of the invention. In doing so, reference should be made to the relevant claims.
На прилагаемых к описанию чертежах показано:The drawings accompanying the description show:
на фиг. 1 токовая характеристика однополярного импульса стимуляционного тока с непосредственной компенсацией заряда без запаздывания (возможный вариант согласно представленному в немецком патенте DE 2013 0101893 A1 уровню техники),in fig. 1 current characteristic of a unipolar stimulation current pulse with direct charge compensation without delay (possible version according to the state of the art presented in the German patent DE 2013 0101893 A1),
на фиг. 2 схематически показанный пример предлагаемой в изобретении системы генерирования импульсов стимуляционного тока, которая обеспечивает возможность запаздывающей компенсации заряда посредством подключенной ёмкости,in fig. 2 is a schematically shown example of a stimulation current pulse generation system according to the invention, which enables delayed charge compensation by means of a connected capacitance,
на фиг. 3 детализированная схема предлагаемой в изобретении системы генерирования импульсов стимуляционного тока, которая обеспечивает возможность запаздывающей компенсации заряда посредством вмонтированной ёмкости и программирования (на данном чертеже показаны схемные элементы и источники тока),in fig. 3 is a detailed diagram of the stimulus current generation system of the invention, which allows for delayed charge compensation through built-in capacitance and programming (this drawing shows circuit elements and current sources),
на фиг. 4 графическое представление идеализированной токовой характеристики однополярного импульса стимуляционного тока с реализуемой согласно изобретению запаздывающей компенсацией заряда (без электрофизиологической реакции),in fig. 4 is a graphical representation of the idealized current characteristic of a unipolar stimulation current pulse with a delayed charge compensation implemented according to the invention (without an electrophysiological response),
на фиг. 5 графически представленный пример идеализированной токовой характеристики последовательности импульсов стимуляционного тока с (максимальной) запаздывающей компенсацией заряда,in fig. 5 is a graphical example of an idealized current response of a stimulation current pulse train with (maximum) delayed charge compensation,
на фиг. 6 графически представленное в идеализированной форме непосредственное сравнение токовой характеристики последовательности стимуляционных импульсов с реализуемой согласно изобретению запаздывающей компенсацией заряда (сплошная линия) и без реализуемой согласно изобретению запаздывающей компенсации заряда (пунктирные линии),in fig. 6, graphically presented in an idealized form, a direct comparison of the current characteristic of a sequence of stimulation pulses with the delayed charge compensation implemented according to the invention (solid line) and without the delayed charge compensation implemented according to the invention (dotted lines),
на фиг. 7 в верхней части графическое представление электрофизиологических сигналов (измеряемых сигнальных токов), фактически полученных благодаря последовательности импульсов стимуляционного тока (сигнал CoMEP без запаздывающей компенсации заряда); в нижней части графическое представление фактически полученных электрофизиологических сигналов (измеряемых сигнальных токов) с реализуемой согласно изобретению запаздывающей компенсацией заряда.in fig. 7 in the upper part is a graphical representation of the electrophysiological signals (measured signal currents) actually obtained due to the stimulation current pulse train (CoMEP signal without delayed charge compensation); in the lower part is a graphical representation of the actually obtained electrophysiological signals (measured signal currents) with the delayed charge compensation implemented according to the invention.
Приведенный ниже пример и прилагаемые к описанию чертежи служат для более подробного пояснения настоящего изобретения и не ограничивают его объем. Указанные в примере отдельные отличительные признаки могут быть заменены также отдельными, несколькими или всеми приведенными выше и ниже общими отличительными признаками, а в случае отличающихся от примера вариантов осуществления изобретения приведенными в них общими отличительными признакам.The following example and the accompanying drawings serve to explain the present invention in more detail and do not limit its scope. The individual distinguishing features indicated in the example can also be replaced by individual, several or all of the above and below general distinguishing features, and in the case of embodiments of the invention that differ from the example, by the general distinguishing features given in them.
Идентичные позиции на чертежах имеют одинаковые значения.Identical positions in the drawings have the same meanings.
Показанное на фиг. 2 расположение источника напряжения 100 следует рассматривать лишь в качестве примера - источник напряжения 100 может быть расположен также, например, внизу (ниже узловой точки плеча 104, соответственно 106, или в этой узловой точке), либо может быть встроен в качестве элемента IS1, соответственно IS2 (как показано на фиг. 3), или в качестве элемента S1, соответственно S2. Источником напряжения может являться, например, подходящее (то есть способное обеспечить достаточное номинальное напряжение) устройство сопряжения, в частности, USB-разъем, например, USB-разъем компьютера, или блок питания от сети, что способствует особенно простому оперированию, причем результирующее преобразованное напряжение, как правило, находится в примерном диапазоне от 4,75 до 5,25 В.Shown in FIG. 2 the location of the
На фиг. 2 показана предлагаемая в изобретении система, выполненная в виде Н-мостовой схемы 101. На фиг. 1 показана токовая характеристика, полученная в том случае, если через ветвь 102 показанной на фиг. 2 или 3 предлагаемой в изобретении Н-мостовой схемы с конденсатором С (позиция 6) пропускают проходящий через плечи 103 и 104 (или плечи 105 и 106) импульс стимуляционного тока 1. В случае если соответствующие схемные элементы S1 (позиция 4) и IS2 (позиция 9) или, в качестве альтернативы, S2 (позиция 5) и IS1 (позиция 8) после применения импульса стимуляционного тока 1 остаются разомкнутыми, конденсатор С (позиция 6) разряжается посредством нагрузочного сопротивления R (позиция 7), которым является, например, пациент, часть тела пациента, его орган или ткань, с противоположным импульсу стимуляционного тока 1 направлением тока, причем идеализированной токовой характеристике при компенсации заряда соответствует позиция 2.In FIG. 2 shows an H-
На фиг. 7 на примере измерения сигнала CoMEP (данная аббревиатура расшифрована в приведенном выше тексте описания) показано, что последний негативно влияет на форму и интенсивность подлежащего измерению сигнала: кривая 14 соответствует обусловленному CoMEP сигналу без запаздывающей компенсации заряда - в данном случае непосредственно после импульсов стимуляционного тока 18 (лишь частично показанных в середине чертежа) следует разрядный ток, что обусловливает сильное искажение подлежащих измерению сигналов. При этом наблюдается перекрывание гораздо более слабого ответного сигнала.In FIG. 7, using the example of measuring the CoMEP signal (this abbreviation is explained in the description text above), it is shown that the latter negatively affects the shape and intensity of the signal to be measured:
Совершенно иная ситуация имеет место в первом варианте, в соответствии с котором схемные элементы (плечи 103 и 104 или в качестве альтернативы плечи 105 и 106) согласно изобретению препятствуют протеканию тока через ветвь моста 102 после стимуляционного импульса 1, например, вследствие замыкания соответствующих схемных элементов S1 (позиция 4) и IS2 (позиция 9) или, в качестве альтернативы, S2 (позиция 5) и IS1 (позиция 8).A completely different situation occurs in the first embodiment, according to which the circuit elements (
В альтернативном втором варианте для поддержания заряда конденсатора через него можно пропускать слабый ток (например, силой 4 мкА), что позволяет предотвратить разряд конденсатора.In an alternative second embodiment, a low current (eg, 4 μA) can be passed through the capacitor to keep the capacitor charged, thereby preventing the capacitor from discharging.
Управление в обоих вариантах осуществляют посредством (соответствующего) программируемого контрольного устройства (на чертежах не показано), который в первом варианте обеспечивает размыкание и замыкание схемных элементов, соответственно во втором варианте обеспечивает поддержание слабого тока.The control in both versions is carried out by means of a (corresponding) programmable control device (not shown in the drawings), which in the first version provides opening and closing of the circuit elements, respectively, in the second version ensures the maintenance of a low current.
Однако в случае если процессы на стимуляционном(-ых) электроде(-ах) пациента, используемого в качестве нагрузочного сопротивления R, после импульса стимуляционного тока 1 характеризовались бы слишком малой обратимостью, ожидание было бы слишком длительным. В связи с этим после кратковременного периода запаздывания (длительностью, например, 100 мс), в течение которого может быть измерен подлежащий измерению электрический физиологический сигнал, реализуют возможность течения разрядного тока из конденсатора 6.However, if the processes on the patient's stimulation electrode(s) used as load resistance R after stimulation
На фиг. 4 показана результирующая токовая характеристика (без физиологического сигнала) предлагаемой в изобретении системы: разряд конденсатора 6 в течение периода запаздывания 10 после импульса стимуляционного тока 1 в первом варианте предотвращается благодаря замыканию выключателей, а во втором варианте благодаря не показанному на чертеже пропусканию слабого тока для поддержания заряда конденсатора 6. Разряд конденсатора 6 через нагрузочное сопротивление 7 в ветви моста 102 может быть реализован лишь по завершении периода запаздывания 10 в первом варианте посредством размыкания соответстветствующих схемных элементов, а во втором варианте благодаря отключению пропускаемого для поддержания заряда слабого тока с противоположным импульсу стимуляционного тока направлением. Идеализированная токовая характеристика при запаздывающей компенсации заряда показана на фиг. 4 (см. токовую характеристику 11 при разряде конденсатора).In FIG. 4 shows the resulting current characteristic (without a physiological signal) of the system proposed in the invention: the discharge of the
На фиг. 5 показана ситуация, согласно которой не только подводят импульс стимуляционного тока 1, но и затем дополнительно применяют последовательность 12 импульсов стимуляционного тока (в данном случае, например, последовательность трех импульсов). После импульса стимуляционного тока 1 выдерживается первый период запаздывания 10 для разряда конденсатора 6 до начала последовательности 12 импульсов стимуляционного тока, в течение которого разряд конденсатора отсутствует. Во время подачи последовательности 12 импульсов стимуляционного тока после каждого отдельного импульса стимуляционного тока, образующего эту последовательность, конденсатор частично разряжается (направленный вниз токовый сигнал с противоположной полярностью на фиг. 5), однако по завершении подачи последовательности 12 импульсов стимуляционного тока в течение другого периода запаздывания 10 разряд конденсатора предотвращается благодаря использованию одного из двух указанных выше вариантов. Таким образом, разряд конденсатора 6, который обусловливает идеализированную токовую характеристику 11 при разряде конденсатора, может происходить лишь по истечении периода запаздывания 10.In FIG. 5 shows the situation in which not only a stimulation
На фиг. 6 показаны токи, которые возникают после импульса стимуляционного тока 1 (в данном случае с обратной полярностью по сравнению с ранее указанными импульсами стимуляционного тока) и последовательности 13 импульсов стимуляционного тока без реализуемого согласно изобретению запаздывания разряда (пунктирные линии и часть сплошных линий, которые не заменены пунктирными линиями) или с реализуемым запаздыванием разряда (полностью сплошные линии). Позицией 2 обозначена токовая характеристика при частичной компенсации заряда (слева), соответственно полной компенсации заряда (справа).In FIG. 6 shows the currents that occur after a stimulation current pulse 1 (in this case with reverse polarity compared to the previously indicated stimulation current pulses) and a sequence of 13 stimulation current pulses without the discharge delay implemented according to the invention (dotted lines and part of the solid lines that are not replaced by dotted lines) or with a realized discharge delay (completely solid lines).
Наконец, на фиг. 7 в верхней части в области 14 показаны результаты измерений, выполненных в CoMEP-опыте без запаздывающей компенсации заряда (кривая 16 с перекрыванием компенсации заряда и измеренного ответа), в то время как в нижней части фиг. 7 в области 15 показана соответствующая ситуация с запаздыванием компенсации заряда, причем участки кривой 17 соответствуют слабым, едва ли причиняющим вред измеряемым сигналам. Компенсация заряда осуществляется в не показанной на данном чертеже области.Finally, in FIG. 7 in the upper part in
Таким образом, система, которая согласно изобретению оснащена средствами для запаздывания разряда конденсатора 6, позволяет осуществлять гораздо более точные измерения физиологических электрических реакций на импульсы стимуляционного тока, чем это было бы возможно при непосредственном разряде, причем подобная возможность в общем случае может быть рационально реализована лишь благодаря тому, что для уменьшения вызванных стимуляционными токами артефактов, обусловленных электролитическими и другими процессами во время стимуляции и измерения на пациенте посредством компенсации заряда, в плече моста 102 используют конденсатор.Thus, the system, which according to the invention is equipped with means for delaying the discharge of the
Позиции на чертежахPositions in the drawings
Claims (19)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102018118019.5 | 2018-07-25 | ||
| DE102018118019.5A DE102018118019B3 (en) | 2018-07-25 | 2018-07-25 | Arrangement for delayed electrical charge compensation when administering stimulation current pulses and measuring electrical responses evoked by the pulses |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2019108343A RU2019108343A (en) | 2020-09-22 |
| RU2793645C2 true RU2793645C2 (en) | 2023-04-04 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2100394A5 (en) * | 1970-07-10 | 1972-03-17 | Gen Electric | |
| RU2611904C1 (en) * | 2015-10-26 | 2017-03-01 | Татарский Р.Б. | Method of noncoronary ventricular heart arrhythmias elimination by radio frequency catheter ablation of diastolic potentials |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2100394A5 (en) * | 1970-07-10 | 1972-03-17 | Gen Electric | |
| RU2611904C1 (en) * | 2015-10-26 | 2017-03-01 | Татарский Р.Б. | Method of noncoronary ventricular heart arrhythmias elimination by radio frequency catheter ablation of diastolic potentials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6946261B2 (en) | Implantable nerve stimulators and methods with internal electronics without ASICs | |
| JP5769036B2 (en) | System for spatially selective vagus nerve stimulation | |
| EP2355893B1 (en) | Devices for optimizing electrode placement for anti-inflamatory stimulation | |
| US8478420B2 (en) | Implantable medical device charge balance assessment | |
| Fridman et al. | Safe direct current stimulation to expand capabilities of neural prostheses | |
| Laczo et al. | Increasing human leg motor cortex excitability by transcranial high frequency random noise stimulation | |
| Waring | Auditory brain-stem responses evoked by electrical stimulation of the cochlear nucleus in human subjects | |
| Schanze et al. | Activation zones in cat visual cortex evoked by electrical retina stimulation | |
| US20220233866A1 (en) | Neural Sensing in an Implantable Stimulator Device During Passive Charge Recovery | |
| Voigt et al. | Intracortical microstimulation differentially activates cortical layers based on stimulation depth | |
| RU2793645C2 (en) | Electrical charge compensation system, its application and method for intraoperative electrical stimulation and measurement of resulting electrical responses | |
| US20140200622A1 (en) | Combination Device and Methods for Treating Congestive Heart Failure and Stroke | |
| Shahdoost et al. | Cortical control of intraspinal microstimulation: Toward a new approach for restoration of function after spinal cord injury | |
| US11350882B2 (en) | Arrangement for delayed electrical charge equalization during administration of stimulation current pulses and measurement of electrical reactions evoked by the pulses | |
| Moszkowski et al. | Extracorporeal stimulation of sacral nerve roots for observation of pelvic autonomic nerve integrity: description of a novel methodological setup | |
| WO2014150371A1 (en) | System and method for magnetic stimulation of the central nervous system with a microcoil | |
| Kondo et al. | Electrically evoked responses of the human external oblique abdominal muscle | |
| Schjetnan et al. | Anodal transcranial direct current stimulation with monopolar pulses improves limb use after stroke by enhancing inter‑hemispheric coherence | |
| Dali et al. | Investigation of the efficiency of the shape of chopped pulses using earthworm model | |
| US10918865B2 (en) | Carotid sinus nerve stimulation | |
| Nguyen et al. | Finding physiological responses in vestibular evoked potentials | |
| Kögler et al. | Recording vestibular evoked potentials induced by electrical stimulation of the horizontal semicircular canal in guinea pig | |
| WO2024102805A1 (en) | Stimulus artifact removal | |
| Fetzer et al. | A simple electrical approach to diagnosing a suspected lead break in patients with implanted vagus nerve stimulators–Technical note | |
| Polterauer et al. | Feasibility of promontory stimulation eABR recording in cochlear implant candidates with MED-EL clinical system |