Устройство для нормализации ритмов головного мозга
Изобретение относится к медицине, конкретнее к экспериментальной и лечебной физиологии, и может быть использовано для управления изменением функционального состояния центральной нервной системы (ЦНС). Технической задачей изобретения является повышение эффективности воздействия путем получения конкретного направленного воздействия за счет общей технологической прозрачности обработки сигналов головного мозга и строго конкретного воздействия из условий наилучшей стимуляции. Устройство содержит приемные электроды, блок снятия электроэнцефаллограмм, АЦП и индуктор, отличающееся тем, что в него введены малошумящий усилитель, линейка программно перестраиваемых узкополосных фильтров, устройство выборки и хранения, ОЗУ, микроконтроллер с управляемым ПЗУ, ЖКИ с блоком внешнего управления и со следующими соединениями: приемные электроды крепятся к верхней части головы пациента, выход этих электродов через ЭЭГ и МШУ соединены с линейкой узкополосных фильтров, выход которой соединен со входом УВХ, выход последнего соединен с входом АЦП, который первой шиной данных соединен с ОЗУ, микроконтроллер соединен шиной запись/считывание с управляющим входом УВХ, шиной пуск - с входом запуска АЦП, шиной запись - с адресным входом ОЗУ, третьей шиной управления - с линейкой узкополосных фильтров, второй шиной управления - с ЖКИ, выходной шиной - с индуктором; внешнее управление (клавиатура) первой шиной управления соединена с микроконтроллером, выход ОЗУ 12-ти разрядной второй шиной данных соединен с входом данных микроконтроллера. Устройство обеспечивает высокую эффективность воздействия. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к медицине, конкретнее к экспериментальной и лечебной физиологии, и может быть использовано для управления изменением функционального состояния центральной нервной системы (ЦНС).
Как общеизвестно, мозг любого живого индивидуума, в том числе и человека, генерирует н.ч. сигналы на определенных частотах, которые получили название (условно) δ, θ, α, β ритмы (основные ритмы) применительно к человеку. Также было замечено, что при различных патологиях изменяется соотношение этих основных ритмов между собой и особенно по отношению к α-ритму, т.е. они определяют состояние ЦНС.
Естественно были сделаны попытки на подопытных животных, в основном на крысах, воздействовать НЧ электромагнитными полями (ЭМП), на головной мозг через индукторы с переменной индукцией (117-264 мкТл), см. Пестряев В.А. «Влияние импульсного сложномодулированного электромагнитного поля на поведение и вегетативные реакции животных». Тезисы докл. науч. конф. ЦНИЛ СГМИ, Свердловск, 1989, стр.43-44.
При этом было выяснено, что более низкие частоты ЭМП порядка 0,5-5 Гц эффективнее работают на торможение, а более высокие (ближе к 20 Гц) - на возбуждение, в большинстве случаев воздействия импульсных ЭМП с одной и той же частотой следования импульсов могут приводить к разнонаправленным изменениям функционального состояния, как к торможению, так и к возбуждению (на уровне ЦНС - как к синхронизации, так и к десинхронизации биоэлектрической активности мозга). Учет функционального состояния ЦНС перед воздействием также не позволяет сделать предсказание направленности изменений достоверными. В связи с этим невозможно эффективное использование данного режима воздействия для управления функциональным состоянием ЦНС.
Разнонаправленность изменений функционального состояния ЦНС при воздействии объясняется тем, что импульсы ЭМП, появляющиеся через одинаковые промежутки времени, не коррелированы с биоэлектрической активностью мозга, носящей апериодический характер, и, т.к. действие поля на нейроны, находящиеся в различном функциональном состоянии, различно, то предсказать с высокой вероятностью итоговый результат перераспределения активности нейронов и направленности изменения функционального состояния невозможно. Под изменением функционального состояния здесь понимается переход между состояниями бодрствования, покоя, стадиями сна, каждое из которых характеризуется как преобладающим частотным спектром, так и определенным амплитудным диапазоном (или определенными распределениями мгновенных значений) сигнала электроэнцефалограммы.
Известно устройство для нормализации ритмов головного мозга, так называемый «Биоэнергетический шлем», ст. газеты «Жизнь», г. Екатеринбург, №49 (493) от 18 марта 2004 г. На этот шлем получен патент РФ, а сам он разработан ЦИТО г. Москва профессором Степановым Г.А.
Шлем представляет собой металлическое кольцо, которое плотно закрепляется на голове пациента. Сверху, по периметру, - восемь приклепанных пластин с прорезями и гнездами. Пластины расположены через одинаковые расстояния, чтобы биоэнергия равномерно распределялась над головным мозгом. Действие шлема основано на использовании биоэнергии, которую вырабатывает головной мозг каждого человека. Шлем надевают на голову и начинается поиск патологического очага в головном мозге, который определяется по легкому покалыванию именно в этой точке. После этого врач по определенной методике посылает свою собственную энергию в этот очаг, а шлем «закольцовывает энергию», которую как генератор вырабатывает головной мозг. Получается своеобразная индукционная катушка, в которой энергия не только сохраняется, но и усиливается.
Как утверждает Степанов Г.А., «использование биоэнергетического ресурса врача и пациента - это медицина будущего». Шлем использовался на многих больных, в том числе на бывшем президенте Б.Н.Ельцине, результаты самые успешные.
При всех своих положительных достоинствах, если таковые имеются, этот метод не имеет научного обоснования, более всего он напоминает чистую эмпирику.
Известно устройство по «Способу регуляции функционального состояния центральной нервной системы в цикле «сон-бодрствование» путем воздействия низкоинтенсивным импульсным магнитным полем» по патенту РФ №2089240, в котором предварительно регистрируют электроэнцефалограмму соответствующего функционального состояния ЦНС, определяют уровень средних и максимально возможных амплитудных значений и осуществляют синхронизацию электромагнитного поля с сигналом электроэнцефалограммы из диапазона найденных значений - ПРОТОТИП.
Недостатками данного способа являются: низкая физиологичность и эффективность. Это обусловлено тем, что привязка способа только к фазам «сон-бодрствование» решает частную, хотя и важную задачу, а перехода к воздействию на различные патологии, например, головные боли, высокое артериальное давление, эпилепсии и т.д. из этого способа не следует.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности стимулирующего воздействия устройства путем получения конкретного направленного воздействия за счет общей технологической прозрачности обработки сигналов головного мозга и строго конкретного воздействия из условий наилучшей стимуляции.
Данная цель достигается тем, что предлагается «Устройство для нормализации ритмов головного мозга», содержащее приемные электроды, блок снятия электроэнцефаллограмм, аналого-цифровой преобразователь и индуктор, отличающееся тем, что в него введены малошумящий усилитель, линейка программно перестраиваемых узкополосных фильтров, устройство выборки и хранения, оперативное запоминающее устройство, микроконтроллер с управляемым постоянным запоминающим устройством, жидкокристаллический индикатор и блок внешнего управления, при этом приемные электроды выполнены с возможностью крепления к верхней части головы пациента, выходы электродов через блок снятия электроэнцефаллограмм и малошумящий усилитель связаны с линейкой программно перестраиваемых узкополосных фильтров, выход которой соединен со входом устройства выборки и хранения, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, шина данных которого соединена с оперативным запоминающим устройством, а шина «готов» - с микроконтроллером, который соединен шиной «запись/считывание» с управляющим входом устройства выборки и хранения, шиной «пуск» - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, шиной «запись» - с адресным входом оперативного запоминающего устройства, первой шиной управления - с линейкой программно перестраиваемых узкополосных фильтров, второй шиной управления - с жидкокристаллическим индикатором, выходной шиной - с индуктором, блок внешнего управления шиной управления соединена с микроконтроллером, а выход оперативного запоминающего устройства шиной данных соединен со входом данных микроконтроллера; постоянное запоминающее устройство микроконтроллера состоит из двух частей, каждая из которых определяет соответствующий алгоритм обработки данных микроконтроллером; индукция магнитного поля при воздействии индуктора находится в пределах 3-5 мТs, время воздействия составляет 60±10 сек.
На чертеже показана структурная схема устройства, на которой изображено: 1 - приемные электроды ПЭЛ, 2 - блок снятия электроэнцефаллограммы (ЭЭГ) или усилитель биопотенциалов, 3 - малошумящий усилитель (МШУ), 4 - программно перестраиваемая линейка узкополосных фильтров, 5 - жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), 6 - устройство выборки и хранения (УВХ), 7 - индуктор, 8 - блок управления на микроконтроллере (МК), 9 - АЦП, 10 - внешнее управление МК, 11 - ОЗУ, первая, вторая и третья 4-х разрядные или более шины блока управления 8, первая и вторая шины данных ОЗУ 11 (12-разрядные), шина запись/считывание УВХ 6, шина пуска АЦП, шины записи и считывания сигналов в ОЗУ от МК 8.
Устройство имеет следующие соединения. Приемные электроды 1 крепятся к верхней части головы пациента (который условно не показан). Выход этих электродов 1 через ЭЭГ 2 и МШУ 3 соединены с линейкой узкополосных фильтров 4, выход которой соединен со входом УВХ 6, выход последнего соединен с входом АЦП 9, который 1-ой шиной данных соединен с ОЗУ 11; МК 8 соединен шиной запись/считывание с управляющим входом УВХ 6, шиной пуск - с входом запуска АЦП 9, шиной запись - с адресным входом ОЗУ 11, третьей шиной управления - с линейкой узкополосных фильтров 4, второй шиной управления - с ЖКИ 5, выходной шиной - с индуктором; внешнее управление 10 (клавиатура) первой шиной управления соединена с МК 8; выход ОЗУ 11 12-ти разрядной второй шиной данных соединен с входом данных МК 8.
Указанные блоки могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС: ПЭЛ 1 в виде дисков из неокисляющего материала, например олова, диаметром 8-10 мм, толщиной 0,5-0,6 мм; ЭЭГ 2 - стандартный блок, широко применяемый в медицинской технике, МШУ 3 может быть выполнен на интегральной арсенид-галлиевой ИМС типа MGA-866563, см. каталог фирмы "Hewlett Packard Catalog, 1998", с.6-220; линейка узкополосных фильтров 4 на диэлектрических резонаторах по схеме с распределенными параметрами, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996, с.201-202; ЖКИ 5 фирмы POWERTYPPG-12864A 128×64 точки с подсветкой, см. Aktiv-Matrix-LCD'S LDE052T-12 320×40 5,1 №46029, TECHNISCHER KATALOG 96/97 г., стр.466; МК 8 - это, например, микроконтроллер фирмы Jntel 80C188EC-16, см. Каталог «Сектор электронных компонентов. Россия-99», М., DODEKA, 1999, стр.487; АЦП 9 на ИМС 572ПВ1А, см. Справочник «Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги», М., Радио Софт, 2001, т.6, стр.135, ОЗУ 11 на ИМС 573 РФ5, см. там же, т.6, стр.204; внешнее управление 10 - это по существу любая клавиатура, совместимая с микроконтроллером.
Устройство работает следующим образом.
Приемные электроды ПЭЛ 1 воспринимают ритмы человеческого мозга, которые регистрируются электроэнцефаллографом ЭЭГ 2 и усиливаются малошумящим усилителем 3. Одновременно микроконтроллер 8 по сигналу внешнего управления 10, например, по сигналу «Пуск» начинает перестраивать линейки узкополосных фильтров 4, начиная с нижних частот, например, пропускать с 2 Гц и выше до 10 Гц, с дискретом 0,1 или 0,2 Гц, или 0,5 Гц, вв зависимости от внешнего управления 10 (набирается величина дискрета вручную). Выбранная каждая частота поочередно поступает на устройство выборки и хранения УВХ 6, где и запоминается по сигналу «запись» на управляющем входе (лог.0 или лог.1 в зависимости от конкретного УВХ). После чего МК 8 выдает сигнал «считывание», по которому заполненное значение выбранной частоты поступает на вход АЦП 9, который по сигналу «пуск» с МК 8 (задержанным на 3-5 мксек относительно сигнала «считывание») начинает обработку этой частоты в параллельный 12-разрядный код. По окончании преобразования этот цифровой код выставляется по первой шине данных одновременно с сигналов «готов», который поступает на МК 8. По этому сигналу МК 8 в свою очередь выставляет сигнал «запись» в ОЗУ 11, по которому этот код и записывается. Затем МК 8 с выбранным дискретом пропускает следующее значение частоты на выход линейки узкополосных фильтров 4, которая через УВХ 6 и АЦП 9 также записывается в виде 12-разрядного кода по следующему адресу в ОЗУ 11 и т.д. После прохождения и обработки всех частот МК 8 по сигналу «считывание» из ОЗУ 11 «вытаскивает» все значения и производит их обработку по одному из следующих алгоритмов.
Алгоритм первый. По всем измеренным значениям амплитуд частот вычисляют среднеквадратичное значение по известной формуле:
где: U1...Un - измеренное значение максимальных амплитуд каждого ритма головного мозга;
n - число измеренных ритмов.
Затем сравнивают это квадратичное значение с максимальной амплитудой каждого ритма и в случае получения разности больше допустимой (определяется эмпирически) по отношению к какому-то ритму, МК 8 выбирает частоту этого ритма и через индуктор 7 воздействует электромагнитным полем на верхнее полушарие головного мозга с индукцией порядка 3-5 мТs в течение 1,0 минуты ± 10 сек в зависимости от возраста пациента.
Алгоритм второй.
По всем измеренным частотам МК 8 определяет энергетический максимум сигнала, для чего определяется площадь снятой амплитудно-частотной характеристики, затем определяется ее «центр тяжести», т.е. геометрический центр, амплитуда частоты, на которой он находится, и является искомой. Затем опять сравниваются максимальные амплитуды каждого ритма с найденной искомой и т.д.
Разница между алгоритмами заключается в следующем. По среднеквадратичному алгоритму имеем высокое быстродействие, по энергетическому максимуму - высокую эффективность или достоверность, повышенную помехоустойчивость, но более низкое быстродействие.
Приводим пример использования для нормализации давления у 12 больных, см. таблицу.
| Таблица | ||||
| №№ | До воздействия | После воздействия | ||
| СД/ДД мм рт.ст | Среднее давление ДД+0,42(СД-ДД) | СД/ДД мм рт.ст | Среднее давление | |
| 1 | 119/80 | 96.4 | 110/75 | 84,7 |
| 2 | 160/110 | 131 | 148/110 | 126 |
| 3 | 100/80 | 88,4 | 90/70 | 78,4 |
| 4 | 140/100 | 116,8 | 130/95 | 109,7 |
| 5 | 130/70 | 95,2 | 110/65 | 83,9 |
| 6 | 125/80 | 98,9 | 115/75 | 91,8 |
| 7 | 145/105 | 121,8 | 135/95 | 111,8 |
| 8 | 105/70 | 84,7 | 95/60 | 74,7 |
| 9 | 150/100 | 121 | 145/100 | 118.9 |
| 10 | 150/100 | 121 | 140/95 | 113,9 |
| 11 | 145/100 | 119 | 135/98 | 113,5 |
| 12 | 160/105 | 128 | 145/95 | 116 |
Таким образом, из таблицы следует достоверное понижение: систолического - Р<0,01 (12 из 12), диастолического - Р<0,05 (10 из 12) и среднего - Р<0,01 (12 из 12) артериального давлений.
В контроле: проведено 17 экспериментов с несоответствием либо времени включения воздействия, либо времени задержки. В 9 случаях нет изменения давления, в 5 случаях - незначительное повышение и лишь в 3-х случаях - незначительное понижение давления.
Следует заметить, что устройство может быть оснащено жидкокристаллическим дисплеем 5 для отображения текущей информации, также МК8 имеет шину последовательного интерфейса RS-232C, которая может быть использована для связи с центральным постом и дополнительным сервисом, например, тревожная звуковая или световая сигнализация (на чертеже условно не показана).
1. Устройство для нормализации ритмов головного мозга, содержащее приемные электроды, блок снятия электроэнцефаллограмм, аналого-цифровой преобразователь и индуктор, отличающееся тем, что в него введены малошумящий усилитель, линейка программно перестраиваемых узкополосных фильтров, устройство выборки и хранения, оперативное запоминающее устройство, микроконтроллер с управляемым постоянным запоминающим устройством, жидкокристаллический индикатор и блок внешнего управления, при этом приемные электроды выполнены с возможностью крепления к верхней части головы пациента, выходы электродов через блок снятия электроэнцефаллограмм и малошумящий усилитель связаны с линейкой программно перестраиваемых узкополосных фильтров, выход которой соединен со входом устройства выборки и хранения, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, шина данных которого соединена с оперативным запоминающим устройством, а шина "готов" - с микроконтроллером, который соединен шиной "запись/считывание" с управляющим входом устройства выборки и хранения, шиной "пуск" - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, шиной "запись" - с адресным входом оперативного запоминающего устройства, первой шиной управления - с линейкой программно перестраиваемых узкополосных фильтров, второй шиной управления - с жидкокристаллическим индикатором, выходной шиной - с индуктором, блок внешнего управления шиной управления соединен с микроконтроллером, а выход оперативного запоминающего устройства шиной данных соединен со входом данных микроконтроллера.
2. Устройство для нормализации ритмов головного мозга по п.1, отличающийся тем, что постоянное запоминающее устройство микроконтроллера состоит из двух частей, каждая из которых определяет соответствующий алгоритм обработки данных микроконтроллером.
3. Устройство для нормализации ритмов головного мозга по п.1, отличающийся тем, что индукция магнитного поля при воздействии индуктора находится в пределах 3-5 мTs, время воздействия составляет 60±10 с.
