способ лечения функциональных нарушений центральной нервной системы и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ лечения функциональных нарушений центральной нервной системы, включающий регистрацию биоэлектрической активности мозга, преобразование ее в сенсорные сигналы обратной связи с помощью триггерной стимуляции и воздействие ими на пациента, отличающийся тем, что в процессе воздействия с периодом в 1 с определяют зону головного мозга, которая в текущий момент характеризуется наибольшей стабильностью частоты и максимальным индексом заданного ритма, и используют активность этой зоны для дальнейшего преобразования и стимуляции.

2. Устройство для лечения функциональных нарушений центральной нервной системы, содержащее последовательно соединенные блок датчиков электроэнцефалографического сигнала, усилитель аналогового электроэнцелографического сигнала, а также триггерную схему, стимулятор, сенсорный сигнал которого направлен на пациента, отличающееся тем, что между выходом усилителя и входом триггерной схемы включен многоканальный аналого-цифровой преобразователь, соединенный с коммутатором цифровых сигналов и блоком вычисления критерия выбора триггерной зоны, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что блок вычисления критерия выбора триггерной зоны реализует соотношение



где I^т_i, F^т_i - оценки индекса заданного ритма и его средней частоты в i - отведении за период времени T; max F¹_i^с и min F¹_i^с оценки максимального и минимального значения частоты заданного ритма за 1 с на интервале Т;

N число отведений,

максимальное значение критерия C_i определяет текущую зону триггерной стимуляции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, конкретно к неврологии и клинической нейрофизиологии и предназначено для лечения функциональных нарушений центральной нервной системы (ЦНС) путем стабилизации биоэлектрической активности мозга сенсорным сигналом.

В части устройства изобретение относится к медицинской технике, конкретно к системам с биологической обратной связью, с помощью которых осуществляется регулирование биоэлектрической активности мозга в определенном частотном диапазоне.

Известен способ [1] тренировки мозговой деятельности с помощью сигналов биологической обратной связи. Способ предполагает размещение нескольких электроэнцефалографических датчиков в различных кортикальных точках на голове пациента. Сигналы с датчиков по индивидуальным каналам поступают на полосовые фильтры, частота пропускания которых находится в пределах предварительно заданных поддиапазонов. Выделяемые сигналы перерабатываются в сигналы обратной связи и передаются пациенту в качестве регулируемых световых и звуковых раздражителей, индуцируя пациенту ЭЭГ-активность его мозга в пределах заданного частотного спектра. В результате облегчается произвольное регулирование пациентом собственной мозговой активности в заданном диапазоне частот.

Недостатком способа является отсутствие объективного критерия выбора пути регулирования пациентом собственной мозговой деятельности.

Известен также способ [3] триггерной стимуляции. Способ предполагает применение специальной триггерной схемы, в которой осуществляется согласование времени внешнего воздействия с динамикой изменения ритмической активности мозга, регистрируемой в выбранной зоне головного мозга. Сигналы обратной связи на выходе триггерной схемы включают световой или звуковой стимулятор синхронно с любой выбранной фазой ритмической компоненты электроэнцефалографического (ЭЭГ) сигнала или на любом интервале после ее появления. Регулировка частотно-избирательной цепи и фазовых отношений определяют, является ли обратная связь положительной, либо отрицательной, с соответствующим возрастанием или уменьшением вызванного отклика ЭЭГ-сигнала.

Недостатком способа является субъективный выбор зоны мозга, с которой подается сигнал обратной связи, так как эта зона не всегда характеризуется наибольшей стабильностью частоты и максимальной выраженностью заданного ритма.

Данный способ является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемым результатам и поэтому выбран заявителем в качестве прототипа.

Известно устройство [2] с обратной нейросвязью для воздействия на биоэлектрическую активность в заданном диапазоне частот. Устройство включает датчик аналогового биоэлектрического сигнала, фиксируемый на теле пациента в том месте, где происходит генерация биоэлектрических сигналов на интересующей частоте, усилитель аналогового биоэлектрического сигнала, преобразователь аналогового биоэлектрического сигнала в цифровую форму, частотный селектор, ПЭВМ для цифровой обработки сигнала, устройство отображения сигнала и результатов обработки, магнитный диск для записи и хранения сигнальной информации. В соответствии с применением устройства, дополнительно могут быть использованы амплитудный детектор сигнала, средства подавления в сигнале, таймер, стимулятор.

Недостатком данного устройства является использование только одного отведения биоэлектрического сигнала, что в случае ЭЭГ-сигнала не позволяет автоматически выбирать зону головного мозга, с которой подаются сигналы обратной связи.

Известно также устройство [3] триггерной стимуляции, которое включает ЭЭГ-датчики, фиксируемые на голове пациента, ЭЭГ-усилитель, триггерную схему, на вход которой подается сигнал с выхода одного из канала ЭЭГ-усилителя, стимулятор, сенсорный выход которого направлен на пациента. Преобразование ЭЭГ-сигнала на входе триггерной схемы в сигналы обратной связи, управляющие работой стимулятора, выполняется при последовательном прохождении сигнала через цепи обеспечивающие фильтрацию, квадратирование, ограничение и дифференциирование. Результирующий сигнал инициирует интегрирующую цепь, импульсы с которой включают световой или звуковой стимулятор. В триггерной схеме предусмотрен вычитающий счетчик, который позволяет задерживать включение стимулятора и направлять стимул на любую выбранную фазу ритмической компоненты ЭЭГ-сигнала или на любом интервале после ее появления.

Недостатком устройства является определение в триггерной схеме импульса включения стимулятора относительно момента прохождения потенциала через нулевую линию, так как положение нулевой линии относительно текущей ЭЭГ-волны зависит от характера вводимой в триггерную схему ЭЭГ-активности и, поэтому нарушается точное соотношение стимула и фазы ритмической компоненты ЭЭГ-сигнала в последовательности сенсорных сигналов.

Другим недостатком устройства является отсутствие средств автоматического слежения за зоной головного мозга, с которой подаются сигналы обратной связи.

Данное устройство является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемым результатам и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Технической задачей изобретения являются целенаправленные изменения и стабилизация биоэлектрической активности головного мозга, отражающей функциональное состояние ЦНС, что составляет основу терапевтического эффекта.

В части устройства технической задачей изобретения является разработка блока автоматического поиска оптимальной, с учетом заданного критерия, зоны регистрации ЭЭГ-сигнала, с которой подаются сигналы обратной связи.

Поставленная задача достигается тем, что в способе воздействие на пациента сенсорным сигналом с помощью триггерной стимуляции осуществляется из зоны головного мозга, которая на текущий момент характеризуется наибольшей стабильностью частоты и максимальным индексом заданного ритма.

Это достигается тем, что в устройстве введен аналого-цифровой преобразователь, коммутатор цифровых сигналов, цифровой блок вычисления критерия выбора триггерной зоны, т. е. зоны головного мозга, из которой осуществляется отведение биоэлектрической активности на вход триггерной схемы. Триггерная схема с целью унификации формы представлены ЭЭГ-сигнала имеет цифровую реализацию. Цифровой ЭЭГ-сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя поступает на вход коммутатора цифровых сигналов и в блок вычисления критерия выбора триггерной зоны. Вход триггерной схемы подключен к выходу коммутатора цифровых сигналов. По результатам расчета критерия выбора триггерной зоны осуществляется управление состоянием коммутатора цифровых сигналов таким образом, что вход триггерной схемы всегда подключен к зоне головного мозга, которая на текущий момент максимально соответствует заданному критерию.

В совокупности описанные выше признаки обеспечивают достижение технической задачи изобретения.

На фиг. 1 поясняется расчет параметров ЭЭГ-волны MNP; на фиг. 2 - определение момента подачи стимула в триггерной схеме; на фиг. 3 представлена блок-схема предлагаемого устройства.

N-канальный аналоговый ЭЭГ-сигнал, отражающий физиологическое состояние пациента 1, регистрируется с помощью датчиков 2, усиливается 3 и поступает на вход N-канального аналого-цифрового преобразователя 4. Цифровой ЭЭГ-сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя поступает в систему цифровой обработки ЭЭГ-сигнала, в которой реализованы алгоритмы функционирования N-канального коммутатора цифровых сигналов 5, блока 7 вычисления критерия выбора триггерной зоны и триггерной схемы 6. Взаимодействие цифровых блоков осуществляется путем передачи отсчетов ЭЭГ-сигнала в параметрах программных конструкций 5, 6, 7. Цифровой ЭЭГ-сигнал передается на вход N-канального коммутатора цифровых сигналов 5 и в блок 7 вычисления критерия выбора триггерной зоны. Состояние коммутатора цифровых сигналов 5 определяется по результатам вычисления критерия выбора триггреной зоны в блоке 7. С выхода коммутатора цифровых сигналов 5 цифровой ЭЭГ-сигнал из выбранной зоны головного мозга передается на вход триггерной схемы 6. Импульсные сигналы, формируемые на выходе триггерной схемы 6, включают стимулятор 8, сенсорный выход которого направлен на пациента 1.

Расчет критерия выбора триггерной зоны в блоке 7 и переключение коммутатора цифровых сигналов 5 выполняется с периодом в 1 с в процессе воздействия на пациента сенсорным сигналом. Каждый канал ЭЭГ-сигнала в блоке 7 обрабатывается аналогично. Оценивается индекс заданного ритма I^т_i и его средняя частота F^т_i в i-отведении за период времени T, maxF¹_i^сек и minF¹_i^сек максимальное и минимальное значение частоты ритмической активности за 1 с на интервале T. Значение критерия C_u в каждом канале вычисляется по формуле:



Зона триггерной стимуляции выбирается из условия максимального значения критерия C_i, рассчитанного по всем каналам.

Таким образом, осуществляется автоматическое слежение за зоной головного мозга, которая в данный момент характеризуется максимальным значением критерия оценки ЭЭГ-сигнала в регистрируемых отведениях.

Триггерная схема 6 осуществляет согласование времени подачи тестирующих воздействий с определенной фазой ритмической компоненты ЭЭГ-сигнала. Алгоритм функционирования триггерной схемы включает выполнение низкочастотной фильтрации входного ЭЭГ-сигнала с целью исключить из сигнала элементы с частотой выше заданного ритма, сегментирование полученного сигнала на полуволны, распознавание ЭЭГ-волн, образованных двумя соседними полуволнами, и вычисление их амплитудно-временных параметров, как показано на фиг. 1 для волны MNO. Амплитуда max(A1, A2), Длительность D1+D2, где A1 амплитуда левой полуволны, A2 амплитуда правой полуволны, D1 длительность левой полуволны, D2 длительность правой полуволны.

Если амплитуда A_LMN и длительность D_LMN обнаруженной ЭЭГ-волны LMN (фиг. 2) находятся в заданном диапазоне амплитуд и частот, то в момент времени, обозначенный точкой A - схемная фиксированная задержка 15 мс) начинается отсчет задержки, регулируемой в диапазоне от 0 до 500 мс, по истечении которой, вырабатывается сигнал запуска стимулятора. Введение задержки позволяет направлять стимул на любую выбранную фазу ритмической компоненты ЭЭГ-сигналы или на любой интервал после ее появления.

Выбор момента запуска стимулятора относительно точки A (ЭЭГ-волна LMN) или Б (ЭЭГ-волна MNP, A_MNP амплитуда волны MNP, D_MNP - длительность волны MNP) определяет вариант триггерной стимуляции.

Цифровой коммутатор 5, блок вычисления критерия выбора триггерной зоны 7 и триггерная схема 6 реализованы в системе на базе ПЭВМ типа IBM PC и специально разработанного микропроцессорного модуля цифровой обработки сигналов, встраиваемого в один из свободных слотов ПЭВМ. Архитектура микропроцессорного модуля, в составе которого имеется два сигнальных процессора TMS320C25, оптимизирована с целью обеспечения требуемого качества управления режимами триггерной стимуляции и оценки контролируемых параметров ЭЭГ-сигнала.

Устройство работает в режиме реального времени, то есть, к моменту получения очередного отсчета ЭЭГ-сигнала, все предварительные вычисления завершены и, если требуется, выработан управляющий сигнал.

Способ осуществляют следующим образом. В качестве датчиков ЭЭГ-сигнала, ЭЭГ-усилителя и стимулятора используется стандартное электроэнцефалографическое оборудование. Преобразование ЭЭГ-сигнала в цифровую форму, выполнение цифровой обработки сигналов и управление работой стимуляторов обеспечивается аппаратно-программными средствами, разработанными в соответствии с реализуемым устройством способом лечения функциональных нарушений ЦНС. Аппаратная часть включает ПЭВМ типа IBM PC и микропроцессорный модуль цифровой обработки сигналов, который встраивается в один из свободных слотов ПЭВМ как сопроцессорная плата. Интерфейс модуля для связи с внешними устройствами включает 32 линии ввода аналогового ЭЭГ-сигнала и 4 эквивалентные выходные линии управления работой стимуляторов. ЭЭГ-сигнал с выхода предварительных усилителей электроэнцефалографа с помощью соединительного кабеля подается на входные линии интерфейса модуля цифровой обработки сигнала. Выходные линии интерфейса подключаются к гнездам внешнего запуска стимуляторов.

После запуска с ПЭВМ программы управления режимами триггерной стимуляции устройство готово к работе.

Обмен сигнальной и управляющей информацией между модулем цифровой обработки сигналов и ПЭВМ осуществляется через системный интерфейс ПЭВМ. В процессе исследования на дисплее отображается ЭЭГ-сигнал и текущие параметры триггерной стимуляции. Доступ к каналами изменения параметров триггерной стимуляции осуществляется с помощью манипулятора "мышь" и специальных клавиш.

Подготовка пациента к исследованию проводится также, как для стандартного ЭЭГ-обследования. Пациент находится в отдельном затемненном помещении, сидит в расслабленной удобной позе в кресле. На голове с помощью специального шлема крепятся 16 ЭЭГ-электродов (Fp2, F4, C4, P4, O2, Fp1, F3, C3, P3, O1, F8, T4, T6, F7, T3, T5), расположенных над основными кортикальными зонами. Коммутация электродов униполярная с референтными электродами (A1, A2), закрепленными на левой и правой мочке уха. Заземляющий электрод устанавливается в любой области головы. Импульсная лампа с энергией вспышки 0.3 Дж и длительностью 50 мкс располагается по средней линии на расстоянии 25-30 см от глаз пациента.

Перед исследованием пациенту разъясняется безопасность проводимого исследования, и дается инструкция сидеть неподвижно в расслабленной позе, молча, с закрытыми глазами, по возможности не делать глотательных движений и движений глаз. После трехминутной адаптации и проверки калибровочного сигнала, включается запись электроэнцефалограммы (постоянная времени 0.3 с, полоса пропускания 30 Гц). Фоновая ЭЭГ регистрируется в течение одной минуты. После этого включается триггерный стимулятор в режиме автоматического поиска канала стимуляции посредством выбора опции "Старт ТФС" на экране дисплея ПЭВМ с помощью манипулятора "мышь".

Во время триггерной стимуляции контролируется характер и скорость наступления изменений в ЭЭГ. При появлении признаков нормализации ЭЭГ (стабилизации альфа-ритма, устранении межполушарной асимметрии) триггерная стимуляция прекращается. При сохранении нормализованной ЭЭГ в течение трех минут после прекращения триггерной стимуляции, результаты процедуры расценивают как устойчивые изменения функционального состояния центральной нервной системы. Общая продолжительность исследования не должна превышать 30 мин.

Пример 1. Больной П. 45 лет, и/б 8198. Жалобы на постепенно прогрессирующий поворот головы вправо в течение 5 лет. Объективно: торсионная ротация головы вправо, уменьшающаяся лежа, во сне, при прикосновении правой руки к подбородку, усиливающаяся стоя, при эмоциональных нагрузках. Гипертонус и гипертрофия левой грудинно-ключично-сосцевидной мышцы. Признаков очагового поражения ЦНС нет. Результаты стандартных лабораторных исследований в пределах нормы.

Диагноз: Фокальная форма дистонии с синдромом правосторонней спастической кривошеи.

Подготовка пациента к ЭЭГ-исследованию проводилась так, как описано выше. В фоновой ЭЭГ (фиг. 4) обнаружена грубая межполушарная асимметрия с доминированием острого низкоамплитудного альфа-ритма в правом полушарии и высокочастотной активности в диапазоне бета в левом полушарии. Характер межполушарной асимметрии коррелирует с направлением ротации головы вправо. Задачей проведения способа явилось устранение патологической межполушарной асимметрии с возможностью восстановления нормальной позы головы.

При проведении триггерной фотостимуляции (фиг. 5) в режиме автоматического поиска зоны головного мозга, которая на текущий момент характеризовалась наибольшей стабильностью частоты и максимальным индексом альфа-ритма, в течение 3 мин устранена межполушарная асимметрия за счет нарастания внутренней ЭЭГ-синхронизации альфа-ритма в левом полушарии. Этот эффект сохранялся в течение последующих 5 мин регистрации ЭЭГ и клинически проявлялся уменьшением степени ротации головы и возможностью удерживания головы в прямом положении.

Данный пример иллюстрирует устойчивое изменение функционального состояния ЦНС при триггерной фотостимуляции, что явилось основой лечебного эффекта.

Пример 2. Больная К. 46 лет, амбулаторное обследование. Жалобы на головные боли, предобморочные состояния, приступы в виде страха, сердцебиения, озноба, снижения настроения, утомляемость и нарушение засыпания. Объективно: признаки вегетативной дисфункции на фоне невротических расстройств тревожного характера. Признаков очагового поражения ЦНС нет. Результаты стандартных лабораторных исследований в пределах нормы.

Диагноз: Синдром вегетативной дистонии в виде вегетативных кризов, липотимических состояний, цефалгий психогенного генеза.

Подготовка пациента к ЭЭГ -исследованию проводилась так, как описано выше. Во время регистрации фоновой ЭЭГ-больная испытывала тревогу и состояние, близкое к вегетативному кризу. На фоновой ЭЭГ (фиг. 6) регистрировалась низкоамплитудная "плоская" ЭЭГ с пароксизмальными разрядами тета-ритма 6 кол. /с и амплитудой 15 мкВ, билатерально гиперсинхронными, генерализованными по конвеску. Картина ЭЭГ характерна для дисфункции срединных неспецифических систем мозга с преобладанием трофотропных влияний.

При проведении триггерной стимуляции (фиг. 7) в режиме автоматического поиска зоны головного мозга, которая на текущий момент характеризовалась наибольшей стабильностью частоты и максимальным индексом альфа-ритма, в течение 1 минуты появилось доминирование веретенообразного альфа-ритма с частотой 10 кол./сек и амплитудой 75 мкВ, стабильного в обоих полушариях. На фиг. 8 показано сохранение стабильного эффекта триггерной фотостимуляции с доминированием веретенообразного альфа-ритма, билатерально гиперсинхронного, сразу после прекращения триггерной фотостимуляции. На фиг. 9 показано сохранение стабильного эффекта триггерной фотостимуляции через 3 мин после прекращения триггерной фотостимуляции.

Данный пример иллюстрирует устранение патологической пароксизмальной активности срединных структур мозга и стабилизацию альфа-ритма в обоих полушариях. Данный эффект триггерной фотостимуляции коррелировал с исчезновением симптомов вегетативного криза.

Преимуществом предложенного способа по сравнению с прототипом является:

точная синхронизация подачи стимула в любую выбранную фазу ритмической компоненты ЭЭГ-сигнала;

автоматический поиск триггерной зоны, которая на текущий момент характеризуется наибольшей стабильностью частоты и максимальным индексом заданного ритма.

Положительный эффект прелагаемого способа заключается в возможности устойчивого изменения функционального состояния головного мозга, что коррелирует с лечебным эффектом.

Предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом:

определение в триггерной схеме устройства момента подачи стимула относительно положения пика ЭЭГ-волны позволяет достичь стабильных соотношений стимула и фазы ритмической компоненты ЭЭГ-сигнала в последовательности сенсорных сигналов, так как в этом случае отслеживаемым параметром является непосредственно фаза колебаний потенциала параметр, наименее подверженный возможным искажениям;

осуществляется автоматическое слежение за зоной головного мозга, с которой подаются сигналы обратной связи в соответствии с заданным критерием поиска, что придает устройству свойства лечебного прибора.

Предлагаемое устройство разработано и апробировано в клинике нервных болезней Санкт-Петербургской Государственной медицинской академии на 36 пациентах с различными нарушениями нервной деятельности.