устройство обнаружения и предупреждения эпилептиформной активности

Формула изобретения

1. Устройство обнаружения и предупреждения эпилептиформной активности, содержащее систему микроэлектродов, при использовании имплантируемых в зону расположения очага эпилептиформной активности, в диагностическом режиме выполняющих регистрирующую функцию, а в стимулирующем режиме оказывающих электронейростимуляцию, последовательно соединенные предусилитель и фильтр, объединенные в информационно-стимулирующий блок, выходом которого является выход фильтра, а также блок питания, электронейростимулятор, приемопередатчик, вход которого подключен ко входу электронейростимулятора, а выход связан с микроантенной, входящей в канал телеметрической связи с блоком врача, которые структурно объединены в блок оценки и управления, при использовании имплантируемый в подключичную область, первым выходом которого является выход электронейростимулятора, отличающееся тем, что информационно-стимулирующий блок содержит микросистемный коммутатор, через первый и второй информационные входы которого система микроэлектродов соединена с предусилителем, а управляющий и стимулирующий входы микросистемного коммутатора являются первым и вторым входами информационно-стимулирующего блока, а блок оценки и управления содержит модуль обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов, вход которого является входом блока оценки и управления и подключен к выходу информационно-стимулирующего блока, первый его выход подключен ко входу электронейростимулятора, второй выход, являющийся вторым выходом блока оценки и управления, - к первому входу информационно-стимулирующего блока, второй вход которого подключен к первому выходу блока оценки и управления.

2. Устройство обнаружения и предупреждения эпилептиформной активности по п.1, отличающееся тем, что модуль обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов содержит последовательно соединенные аналогово-цифровой преобразователь, цифровой фильтр, блок сегментации ЭЭГ-сигналов, блок выделения биоритма и блок оценки симптоматических признаков, блок задания констант, блок сравнения, входами которого являются выходы блока оценки симптоматических признаков и блока задания констант, и кворум-элемент, вход которого соединен с выходом блока сравнения, при этом первый и второй выходы кворум-элемента являются первым и вторым выходами модуля обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов и подключены соответственно ко входу электронейростимулятора и к первому входу информационно-стимулирующего блока, а вход модуля обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов, являющийся входом аналогово-цифрового преобразователя, соединен с выходом информационно-стимулирующего блока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к информационнно-управляющим системам медицинского назначения, используемым для прогнозирования и предупреждения эпилептиформной активности у больных эпилепсией.

Известно устройство, применяемое в клинической практике, включающее электроэнцефалограф, связанный системой проводов с электродами и обеспечивающий снятие и обработку биопотенциалов головного мозга, результаты которой могут быть использованы только для исследования и оценки процесса развития эпилептиформной активности и определения момента ее наступления, т.е. для получения информации в режиме постфактум и не позволяют решать задачу обнаружения и предупреждения эпилептиформной активности в реальном масштабе времени и за пределами клинических условий. [Зенков Л.Р. Клиническая эпилептология с элементами нейрофизиологии. // М. - Медицинское информ.агентство, 2002. - С.281-283].

Кроме того, данное устройство в связи с наличием соединительных проводов, связывающих систему электродов, расположенных на голове пациента с обрабатывающей аппаратурой, ограничивает движение пациента, а также может быть источником помех, искажающих форму и спектр информативных сигналов.

Последний недостаток описанного выше устройства практически устранен в устройстве для электроэнцефалографических исследований [ав. св. № 1734687, МПК А6В 5/04 опубл. 23.05.1992 г.], обеспечивающем возможность проведения исследования пациента без ограничения свободы его движений.

Это устройство состоит из двух частей, одна из которых содержит шлем, надеваемый на голову пациента, с размещенными в нем электродами для снятия биопотенциалов мозга, усилителями биопотенциалов, блоком преобразования информации, передатчиком электромагнитного сигнала, снабженным передающей антенной, и блоком питания, а вторая часть, расположенная в зоне устойчивого приема электромагнитных волн, содержит приемник электромагнитного сигнала, снабженный приемной антенной, и блок обработки и регистрации информации, соединенный с выходом приемника.

Однако данное устройство в связи с использованием накожных электродов не позволяет предсказывать с достаточным временным упреждением момент возникновения эпилептиформной активности в реальном времени, так как выявляет этот процесс только после возникновения эпилептического припадка. Среди множества причин, вызывающих это запаздывание наибольший вклад имеет время преобразования и передачи массива первичных ЭЭГ-сигналов по телекоммуникационному каналу, а также реактивные свойства накладной электродной системы. Рассмотренные выше устройства функционально предназначены только для регистрации ЭЭГ и решения диагностических задач по определению характеристик эпилептиформной активности и не позволяют проводить лечебный процесс в реальном масштабе времени.

Известен электронейростимулятор [пат. США № 6505077 В1 МПК A61N 1/36 опубл. 07.01.2003 г.], который содержит неимплантируемую часть в виде блока импульсного передатчика и имплантируемую часть в виде блока приемника. Имплантируемая часть содержит процессор, блок памяти, источник питания, рамочную антенну для перезарядки источника питания извне, и другие элементы для получения сигналов стимуляции требуемого вида. Во время перезарядки источника питания можно осуществлять перепрограммирование электронейростимулятора с использованием внешнего программатора и проводить контроль взаимного расположения антенн. При этом антенна для перезарядки может выполнять функцию антенны для телеметрии, а устройство в целом позволяет воздействовать на центральную нервную систему методом дистанционной длительной стимуляции переменным током с использованием имплантируемых электродов с целью подавления эпилептиформной активности.

Однако данный электронейростимулятор имеет ограниченные функциональные возможности (не позволяет одновременно и в сочетании решать диагностические и терапевтические задачи), а также не обеспечивает раздельных режимов управления лечебным процессом как для врача, так и для пациента.

Известен многоканальный программируемый электронейростимулятор [пат. РФ № 2286182, МПК A61N 1/36 опубл. 27.10.2006 г.], обеспечивающий раздельное управление для врача и пациента, а также полную взаимную независимость каналов стимуляции.

Электронейростимулятор содержит неимплантируемую часть в виде блока импульсного передатчика с широтно-импульсной модуляцией и имплантируемую часть в виде блока приемника. Блоки выполнены с возможностью магнитно-индукционной связи между собой. Импульсный передатчик содержит перенастраиваемый высокочастотный генератор, приемник канала телеметрии, управляющий программируемый микроконтроллер передатчика, клавиатуру управления и программирования, жидкокристаллический алфавитно-цифровой дисплей и блок питания. Передатчик соединен с выносной антенной для передачи высокочастотной энергии и приема телеметрической информации. Блок приемника содержит антенну для приема высокочастотной энергии и передачи телеметрической информации, управляющий программируемый микроконтроллер блока приемника, цифроаналоговый преобразователь, усилитель, многоканальный коммутатор, электроды и коннекторы для соединения электродов с моноканальным коммутатором. Многоканальный коммутатор связан своими сигнальными входами и выходами, образующими контакты блока приемника, с электродами через коннекторы, образуя каналы стимуляции, включаемые каждый по отдельности или любыми группами, или все одновременно.

Однако данное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. не позволяет регистрировать первичные ЭЭГ-сигналы и, следовательно, решать диагностические задачи, необходимыми для одновременного и в полном объеме проведения лечебно-диагностического процесса больных эпилепсией. Это практически исключает возможность применения данного устройства для комплексного решения задач по обнаружению и предупреждению эпилептиформной активности.

В качестве прототипа принята радиоуправляемая нейромодулирующая система [пат. США № 20070282389 А1, МПК A61N 1/18, опубл. 06.12.2007 г.], которая включает в себя микроэлектроды, вживленные в зону очага эпилептиформной активности, каждый из которых имеет собственный усилитель, фильтр и пороговый датчик, исключающий передачу искаженного сигнала при превышении заданного уровня. Выход порогового датчика подключен к беспроводному приемопередатчику, соединенному с устройством связи (например, USB), который подключается на вход персонального компьютера, обрабатывающего и анализирующего поступающие сигналы с целью оценки неизбежности приступа и формирования команд для активизации электронейростимулятора или для подачи противоэпилептического препарата. Кроме того, система снабжена микроантенной и автономным электропитанием, вживленные в месте, отдаленном от местоположения микроэлектродов.

Система позволяет выполнять лечебно-диагностический процесс в объеме, включающем функции регистрации и терапии путем электронейростимуляции.

Однако формирование прогноза приближения эпилептиформной активности основано на единственном симптоматическом признаке, позволяющем построить одноканальную систему, характеризующуюся недостаточной достоверностью помехоустойчивостью, и надежностью информации о факте приближения эпилептического припадка и обоснованности характера и параметров нейростимулирующих воздействий по его предупреждению.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного недостатка. Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении достоверности прогноза появления эпилептиформной активности в краткосрочной перспективе, а также эффективности нейростимуляции для остановки распространения эпилептического разряда.

Технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, содержащем информационно-стимулирующий блок, состоящий из системы микроэлектродов, при использовании имплантируемых в зону расположения очага эпилептиформной активности, предусилителя и фильтра, а также блок оценки и управления, при использовании имплантируемый в подключичную область, включающий блок питания, электронейростимулятор, приемопередатчик и микроантенну для телеметрической связи с блоком врача, новым является то, что информационно-стимулирующий блок содержит микросистемный коммутатор, обеспечивающий поочередное встречное направление перемещения потока информативных сигналов и потока нейростимулирующих воздействий, а блок оценки и управления содержит модуль обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов и формирования нейростимулирующих воздействий.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2, где фиг.1 - структурная схема устройства обнаружения и предупреждения эпилептиформной активности, фиг.2 - модуль обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов.

Здесь:

1 - система микроэлектродов; 2 - информационно-стимулирующий блок; 3 - усилитель; 4 - фильтр; 5 - модуль обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов; 6 - электронейростимулятор; 7 - микросистемный коммутатор; 8 - приемопередатчик; 9 - блок питания; 10 - блок врача; 11 - аналого-цифровой преобразователь, 12 - цифровой фильтр; 13 - блок сегментации ЭЭГ-сигналов; 14 - блок выделения биоритма; 15 - блок оценки симптоматических признаков; 16 - блок задания констант; 17 - блок сравнения; 18 - кворум-элемент; 19 - блок оценки и управления.

Устройство обнаружения и предупреждения эпилептиформной активности содержит информационно-стимулирующий блок 2 и блок оценки и управления 19.

Информационно-стимулирующий блок 2 состоит из системы микроэлектродов 1, при использовании имплантируемых в зону расположения очага эпилептиформной активности, в диагностическом режиме выполняющих регистрирующую функцию, а в стимулирующем режиме оказывающие электронейростимуляцию, соединенных через первый ч второй информационные входы микросистемного коммутатора 7 с последовательно включенными предусилителем 3 и фильтром 4, выход которого является выходом информационно-стимулирующего блока 2. Микросистемный коммутатор 7 снабжен управляющим входом, являющимся первым входом информационно-стимулирующего блока 2 и определяющим диагностический или стимулирующий режим работы устройства, подключенным ко 2 выходу модуля обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов 5 блока оценки и управления 19, а также стимулирующим входом, подключенным к электронейростимулятору 6 блока оценки и управления 19.

Блок оценки и управления 19, при использовании имплантируемый в подключичную область, содержит модуль обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов 5, вход которого является входом блока оценки и управления 19 и подключен к выходу информационно-стимулирующего блока 2, первый его выход подключен ко входу электронейростимулятора 6, второй выход, являющийся вторым выходом блока оценки и управления 19, - к первому входу информационно-стимулирующего блока 2, второй вход которого подключен к первому выходу блока оценки и управления 19. Блок оценки и управления 19 также включает в себя приемопередатчик 8, микроантенну, входящую в канал телеметрической связи с блоком врача 10, и блок питания 9.

Модуль обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов 5 содержит последовательно соединенные аналогово-цифровой преобразователь 11, цифровой фильтр 12, блок сегментации ЭЭГ-сигналов 13, блок выделения биоритма 14 и блок оценки симптоматических признаков 15, блок задания констант 16, блок сравнения 17, входами которого являются выходы блока оценки симптоматических признаков 15 и блока задания констант 16, и кворум-элемент 18, вход которого соединен с выходом блока сравнения 17, при этом первый и второй выходы кворум-элемента 18 являются первым и вторым выходами модуля обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов 5 и подключены соответственно ко входу электронейростимулятора 6 и к первому входу информационно-стимулирующего блока 2, а вход модуля обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов 5, являющийся входом аналогово-цифрового преобразователя 11, соединен с выходом информационно-стимулирующего блока 2, а выход электронейростимулятора 6 являющийся первым выходом блока оценки и управления 19, соединен со вторым входом информационно-стимулирующего блока 2, являющегося стимулирующим входом микросистемного коммутатора 7.

Основные блоки устройства реализуются следующим образом:

1. Реализуются в соответствии с используемыми в пат. США № 20060276866 МПК A61N 1/18, опубл. 07.12.2006 г. «Microelectrode array for chronic deep - brain microstimulation for recording» («Массив микроэлектродов для глубокой мозговой микростимуляции и записи»). Douglas B.McCreery.

2. Агеев О.А., Мамиконова В.М., Петров В.В., Котов В.Н., Негоденко О.Н. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. - 153 с.

3. 140УД24, ICL7650; Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Том 1. - М.: Физматлит, 1993. 240 с., с.65.

4. пат. РФ № 2286182, МПК A61N 1/36 опубл. 27.10.2006 г. Многоканальный программируемый электронейростимулятор. Гуторко В.А., Бармотин С.В., Петров И.А., Ловков С.А.

5. 140УД25, ОР-27; Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Том 1. - М.: Физматлит, 1993. 240 с., с.81.

6. Реализуется на основе микроконтроллера PIC16F877.

7. Чесноков Г.И., Якубович А.М. Аналоговое мажоритарное устройство с усреднением большинства сигналов. - Ж.: «Автоматика и телемеханика», № 8, 1968. - с.137.

8. Реализуется в соответствии с используемой в пат. США № 20070282389 А1, МПК A61N 1/18, опубл. 06.12.2007 г. Wireless controlled neuromodulation system (радиоуправляемая нейромодулирующая система) / Inventors: Karen Moxon (Collingswood, NJ); Andrew Khair; (Monroeville, NJ); Michael Darling (Trenton, NJ); Ebraheem Sultan (Shuwaikh, KW).

Работа устройства происходит следующим образом:

Биопотенциалы головного мозга с системы микроэлектродов 1 [1], имплантируемых по результатам предварительных исследований на очаге эпилептиформной активности, поступают на микросистемный коммутатор 7 [2], который в диагностическом режиме работы устройства передает поток диагностической информации за счет подключения системы микроэлектродов 1 к предусилителю 3 [3] информационно-стимулирующего блока 2, а в стимулирующем режиме передает поток стимулирующих импульсов путем подключения микроэлектродов 1 к электронейростимулятору 6 [4] блока оценки и управления 19. В диагностическом режиме усиленный сигнал подается на вход фильтра 4 [5], подавляющего высокочастотные помехи, создаваемые радиотелефонами, а также миографические помехи.

Затем сигнал поступает на вход модуля обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов 5 [6], входящего в состав блока оценки и управления 19, в котором последовательно происходит аналого-цифровое преобразование сигналов в блоке 11, цифровая фильтрация преобразованного сигнала методом адаптивной сегментации в блоке 12, позволяющая подавить помехи, вызванные неинформативными биоритмами, а также сократительной деятельностью сердечной системы и системы дыхания пациента. Для упрощения обработки ЭЭГ-сигнала проводится его сегментация в блоке 13, позволяющая разделить запись биопотенциалов головного мозга на участки квазистационарности. Сигнал с блока сегментации ЭЭГ-сигналов 13 поступает на систему выделения биоритма 14, в которой осуществляется спектральный анализ, позволяющий выделить информационно ценные для предупреждения эпилептиформной активности -, -, - и -ритмы. Затем выполняется вычисление оценок симптоматических признаков приближения эпилептиформной активности в блоке 15, задание пороговых значений этих признаков в блоке 16 и сравнение вычисленных значений оценок симптоматических признаков с пороговыми значениями в блоке 17.

Анализ эпилептиформной активности осуществляется на основе алгоритма, состоящего в последовательном и поочередном определении и сравнении оценок совокупности симптоматических признаков с их пороговыми значениями, полученными по результатам предварительных исследований конкретного больного эпилепсией.

К симптоматическим признакам приближения эпилептиформной активности относятся:

1 - число превышений пиками пульсаций волн -, -, -, -ритмов заданного для каждого из них порогового значения за фиксированный интервал времени;

2 - оценка отношения пиков спектров мощности и для соответствующих диапазонов частот с предельным значением этих отношений, определяемых на основе обработки данных клинических исследований здоровых людей;

3 - оценка наличия корреляционных взаимосвязей - и -ритмов.

Кворум-элемент 18 [7] срабатывает при условии, если будет превышение пороговых значений хотя бы по 2 симптоматическим признакам из 1-ой совокупности и хотя бы по 1 признаку по 2-ой и 3-ей совокупности. При этом формируется управляющий импульс для включения в работу электронейростимулятора 6, а также управляющий импульс на микросистемный коммутатор 7 для перевода системы микроэлектродов 1 в режим стимуляции путем подключения их к выходу электронейростимулятора 6.

Имплантированная в пациента и расположенная в блоке оценки и управления 19 микроантенна [8] обеспечивает связь, посредством которой осуществляется передача информации на блок врача 10, необходимой для подтверждения выполняемого режима нейростимуляции либо коррекции параметров нейростимулирующих импульсов.

Таким образом, заявленное устройство с учетом предложенной структуры и алгоритмов обработки потока диагностической информации и ее последующей верификации обладает расширенными функциональными возможностями и непосредственного размещения имплантируемых электродов для своевременного парирования процесса развития эпилептиформной активности в области головного мозга.