Способ коррекции состояния пациентов с нарушениями сна с помощью электростимуляции на основе регистрации электродермальной активности
Изобретение относится к области медицины, а именно к неврологии. В качестве физиологической характеристики регистрируют сигналы электродермальной активности. Выделяют электрические импульсы кожно-гальванической реакции с относительной амплитудой более 1%, от среднего значения текущей проводимости. Определяют количество N упомянутых импульсов. При значении N большем или равном 3,6 имп/мин квалифицируют состояние 1, при значении N меньшем чем 1,5 имп/мин - состояние 2, а при значении N между 1,5 и 3,6 имп/мин - состояние 3. В состоянии 1 стимул подают до перехода в состояния 2 или 3 либо до пробуждения пациента, в состоянии 2 - до перехода в состояния 1 или 3 либо до пробуждения пациента, а в состоянии 3 подачу стимула откладывают до наступления состояний 1 или 2. При этом проводят стимуляцию нервов n.medianus, или n. tibialis, или n.vagus, или транскраниальную стимуляцию мозга. В качестве электрического стимула подают прямоугольные импульсы с частотой заполнения 1-2 кГц, амплитудой от 50 до 500 мкА и плотностью тока не выше 500 мкА/см2. В состоянии 1 воздействуют импульсами длительностью 100-200 мс с частотой следования 0,5-4 Гц, а в состоянии 2 - длительностью 10-20 мс и частотой следования 8-15 Гц. Способ позволяет упростить реализацию процедуры коррекции сна. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к медицине, а именно к неврологии, и может быть использовано в диагностике и лечении расстройств сна.
Известен способ коррекции состояния пациентов с нарушениями сна на основе регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ) пациента и устройство со средствами выдачи стимула (GB 2447640 A, AXON SLEEP RES. LAB. INC, 24.09.2008). Устройство содержит носимые средства для мониторинга с ЭЭГ-электродами, связанными с системой обработки сигнала и микроконтроллером, а также с радиопередатчиком, и стационарные средства, которые содержат радиоприемник, связанный со средствами обработки и хранения сигналов, микроконтроллером, который, в свою очередь, связан со средствами выдачи стимула, а также средства управления. Однако техника анализа ЭЭГ достаточно сложна, чувствительна к помехам, и в быту не применима.
Известен способ регулирования структуры сна (RU 2304988 С2, Дунаевский, Индурский, 27.08.2007), в котором во время медленноволновых стадий ночного сна проводят не пробуждающую пациента низкоамплитудную электрическую и/или магнитную стимуляцию в диапазоне частот 0,5÷4 Гц, максимально приближенных к характерной частоте дельта-активности мозга пациента во сне. Длительность непрерывного цикла стимуляции после срабатывания алгоритма запуска - не менее 10 мин, с повторением стимуляции во всех медленноволновых стадиях сна в течение ночи. Однако этот способ предусматривает срабатывание стимулятора только от сигналов, получаемых от головного мозга с помощью ЭЭГ, но не от периферической нервной системы. Кроме того, он не предусматривает возможность стимуляции во сне вне фаз медленноволнового сна.
Известен способ содействия сну, восстанавливающему силы (US 2008/0081941, Tononi, 03.04.2008). Он состоит в регистрации ЭЭГ и транскраниальной магнитной стимуляции мозга с целью содействия или вызова нейронной активности головного мозга во сне на частоте, близкой к частоте естественной медленноволновой активности пациента во сне. Для выбора моментов начала и прерывания (завершения) каждого цикла стимуляции предлагается использовать только текущие параметры ЭЭГ. Однако использование энцефалографической технологии требует закрепления электродов на голове пациента, что не способствует удобству и расслаблению пациента во время ночного сна. Кроме того, не показаны четкие критерии начала и завершения каждого цикла стимуляционного воздействия.
В заявке (WO 2004075714, LUSTIG, 10.09.2004) описаны в общем виде система и способ управления сном с помощью непробуждающих ненавязчивых стимуляций, в котором активная стимуляция основана на алгоритме процедуры анализа состояния человека во сне с обратной связью. Однако не указаны конкретные характеристики системы слежения за параметрами, характеризующими состояние человека, а также и системы обратной связи снимаемой информации с параметрами стимуляции.
Известны устройства и способы управления сном (RU 2340365 С2, РАНЬЕР, Кит А., ФЕРСТ ПРИНСИПЛЗ, ИНК. 10.12.2008 - ближайший аналог). Способы управления сном спящего заключаются в осуществлении мониторинга физиологических характеристик спящего, указывающих на текущую стадию сна спящего, генерировании стимула для навязывания спящему ритма сна и изменении этого стимула для перевода спящего в стадию сна, отличную от текущей стадии сна. Устройство для настройки типа сна содержит монитор физиологической характеристики, генератор сенсорного стимула, процессор, функционально связанный с монитором физиологической характеристики и генератором упомянутого стимула. Процессор предназначен для приема входящего сигнала от монитора физиологической характеристики и обеспечения выходного сигнала для генератора стимула. Однако в этом изобретении представлен лишь перечень хорошо известных физиологических характеристик и стимулов, но не приводятся конкретные условия и параметры системы регистрации биосигналов от человека во время ночного сна, а также не описана система управления стимуляцией на базе снимаемых биосигналов.
Предметом настоящего изобретения является способ коррекции функционального состояния пациентов, страдающих нарушениями сна, на основе регистрации электродермальной активности (далее ЭДА) и выделяемых из ЭДА самопроизвольных импульсов - краткосрочных спонтанных колебаний электрической проводимости между двумя электродами, наложенными на поверхность кожи, - именуемых далее "кожно-гальваническими реакциями" (КГР). Установлено, что во время разных фаз сна частота следования спонтанных КГР во времени существенно различается. Так, во время медленного сна (МС или NREM-сон) плотность КГР во времени относительно высока, иногда достигая уровня так называемого "шторма КГР" (свыше 50 импульсов КГР за последовательные 10 минут). В то же время на стадии быстрого, или парадоксального, сна (БС, ПС, REM-сон) частота самопроизвольных импульсов КГР резко падает, обычно до 1-2 импульсов КГР в минуту и менее. Это позволяет корректировать состояние пациентов с использованием менее чувствительной к помехам физиологической характеристики, чем вышеуказанная ЭЭГ, условия записи которой более сложны и некомфортны для спящего.
Задача решена тем, что способ коррекции функционального состояния пациентов, страдающих нарушениями сна, состоит в мониторинге физиологической характеристики спящего и подаче электрического стимула для управления архитектурой сна во время разных фаз сна.
Способ характеризуется тем, что в качестве физиологической характеристики регистрируют сигналы электродермальной активности, при этом из сигналов электродермальной активности выделяют электрические импульсы кожно-гальванической реакции с относительной амплитудой более 1% от среднего значения текущей проводимости. Определяют количество N упомянутых импульсов в скользящем окне слежения, имеющем фиксированную длительность, и при значении N большем или равном 3,6 имп/мин квалифицируют состояние пациента как состояние 1, при значении N меньшем чем 1,5 имп/мин - как состояние 2, а при значении N между 1,5 и 3,6 имп/мин - как состояние 3. Далее, в состоянии 1 стимул подают до перехода в состояния 2 или 3, либо до пробуждения пациента, в состоянии 2 - стимул подают до перехода в состояния 1 или 3, либо до пробуждения пациента, причем в состоянии 3 подачу стимула откладывают до наступления состояний 1 или 2. Проводят электрическую стимуляцию нервов n. medianus или n. tibialis или n. vagus или транскраниальную стимуляцию мозга прямоугольными импульсами с частотой заполнения 1-2 кГц, амплитудой от 50 до 500 мкА с плотностью тока не выше 500 мкА/см2, при этом в состоянии 1 воздействуют импульсами длительностью 100-200 мс с частотой следования 0,5-4 Гц, а в состоянии 2 - длительностью 10-20 мс и частотой следования 8-15 Гц.
Способ может характеризоваться тем, что длительность скользящего окна слежения составляет от 3 до 10 последовательных минут, предпочтительно 3-5.
Способ может характеризоваться и тем, что сигналы электродермальной активности регистрируют посредством по меньшей мере одного датчика, содержащего два электрода, выполненные с возможностью обеспечения электрического контакта с кожным покровом руки, при этом датчик укреплен на браслете или перстне или установлен в перчатке.
Технический результат состоит в использовании физиологической характеристики, методика регистрации которой обеспечивает меньшую чувствительность к помехам, что позволяет адекватно определить психофизиологическое состояние, обеспечить неинвазивный контроль и анализ фаз сна пациента, а также упростить аппаратную реализацию для коррекции сна.
Настоящее изобретение основано на следующих фактах, установленных в результате экспериментов. Во сне повышены все основные сенсорные пороги, и обычные внешние раздражители, в бодрствовании действующие через цепочку "входные рецепторы - ЦНС - вегетативные реакции", не вызывают такие обычные для бодрствования вегетативные реакции, как резкое потение кожи, тахикардия и т.д. Однако во сне головной мозг продолжает контролировать процессы, происходящие как в самом мозге, так и на периферии тела человека. В частности, сменяют друг друга фазы медленного сна (МС) и парадоксального сна (ПС, REM-сон), а во время МС мозг, а соответственно и весь организм, проходит определенные стадии - от легкого медленного сна (1-2 стадии МС) до глубокого дельта-сна (3-4 стадии МС). При этом известно, что существует связь фаз сна и частоты появления эпизодов КГР (см. Ротенберг B.C., Кочубей Б.И., Шахнарович В.М. Динамика КГР в различных стадиях и циклах сна. ЖВНД, 1975, 4, с.858-860). Однако отсутствие современных алгоритмов обработки сигналов, аппаратной реализации и соответствующих вычислительных средств не позволяло ранее использовать ЭДА в качестве одного из базовых средств оценки состояния нервной системы человека во сне. Установлено, что для больных неврологического профиля более удобно снимать электрические сигналы и подавать стимулирующее воздействие через приспособления, одетые на периферические органы (рука, нога), а не на голову. Это не мешает свободному положению головы на подушке, позволяет телу принять удобные анатомические позы и не препятствует комфортному сну.
Существо изобретения поясняется на чертеже, где представлена общая блок-схема устройства для реализации способа, где: 1 - пациент; 2 - электроды для регистрации ЭДА; 3 - блок приема ЭДА; 4 - блок анализа ЭДА и выделения сигналов КГР; 5 - блок анализа текущего сна пациента с выявлением 1, 2, 3 состояний; 6 - блок управления генератором стимула; 7 - генератор стимула, в данном случае генератор прямоугольных электрических импульсов с частотой заполнения 1-2 кГц с регулируемой амплитудой, длительностью, частотой следования импульсов; 8 -электроды для приложения стимула. Связь между телеметрическим датчиком и блоком 6 управления и генератором 7 может осуществляться как по радиоканалу, так и по проводам.
Патентуемый способ удобно раскрыть на примере работы устройства. На пациента 1 прикрепляют электроды 2 для регистрации ЭДА и электроды 8 для приложения соответствующего стимула. В блоке 3 принимается сигнал ЭДА, в блоке 4 производится анализ ЭДА и выделение сигналов КГР. Выделяют электрические импульсы с относительной амплитудой более 1% от среднего значения текущей проводимости, т.е. удовлетворяющие условию: ΔG/G>0,01, где: G - текущая трендовая величина проводимости кожи между электродами, AG - размах единичного колебания проводимости кожи за характерные периоды 1-3 с. При реализации данного способа аппаратным путем производится подсчет числа КГР за период времени, равный длительности скользящего окна слежения, например за каждые последовательные пять минут. Затем определяется текущее значение параметра N путем деления числа импульсов КГР в окне на длительность окна слежения. На основе этого значения N определяется одно из трех текущих состояний пациента в ночном сне (состояния 1, 2 или 3).
Далее, в блоке 5 производится анализ 1, 2, 3 состояний сна пациента по патентуемым критериям:
состояние 1: N≥3,6 имп/мин;
состояние 2: N<1,5 имп/мин;
состояние 3: 1,5 имп/мин≤N<3,6 имп/мин.
Далее, в блоке 6 вырабатываются управляющие сигналы в соответствии с выявленными текущими состояниями 1, 2. Если выявлено состояние 3, то блок 6 управления производит задержку - прекращает формирование управляющего сигнала, пока не наступит 1 или 2 состояние сна пациента. В настоящем изобретении описаны электрические средства формирования стимула: электрическая стимуляция нервов n. medianus, n. tibialis, n. vagus, транскраниальная стимуляция мозга. Для этого на электроды 8 от генератора 7 подаются не пробуждающие пациента прямоугольные импульсы с плотностью тока не выше 500 мкА/см2, частотой заполнения 1-2 кГц и амплитудой от 50 до 500 мкА. В состоянии 1 воздействуют импульсами длительностью 100-200 мс с частотой следования 0,5-4 Гц, а в состоянии 2 - длительностью 10-20 мс и частотой следования 8-15 Гц.
Средства для регистрации сигналов ЭДА на теле человека - телеметрические датчики, которые вмонтированы в браслеты, перстни, перчатки, серийно производятся заявителем, и описаны, например, в патенте (RU 2376159 С1, НЕЙРОКОМ, 20.12.2009). Телеметрический датчик содержит два электрода для обеспечения электрического контакта с кожным покровом руки. Эти электроды подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом приемопередатчика и антенной. Могут использоваться два телеметрических датчика: один датчик выполнен в форме браслета по типу наручных часов, а другой - в форме перстня, на поверхностях которых, обращенных к телу, размещены электроды. Телеметрические датчики могут быть установлены в перчатке.
Алгоритмы обработки сигналов, выделяемых из сигналов телеметрии, также описаны в патентах НЕЙРОКОМА (RU 2107460, US 6167299 и ЕР 0925758). Датчиками регистрируются изменения ЭДА - электрической проводимости кожи во времени, и путем соответствующей обработки этих сигналов на кривой зависимости межэлектродной электрической проводимости от времени выявляются импульсные сигналы, каждый из которых анализируется. При наличии соответствия анализируемого импульса установленным для КГР критериям относят импульс к сигналам КГР, а при отсутствии соответствия - к артефактам.
Следует отметить, что состояние 1 с высокой степенью вероятности соответствует фазе медленного сна (МС), состояние 2 - фазе быстрого сна (БС), состояние 3 - не ассоциируется четко с какой-либо из этих фаз ночного сна.
Пример 1. Пациент Т., 32 лет, с устойчивыми жалобами на беспокойный характер сна, не приносящего ощущений отдыха и бодрости при пробуждении, а также на частые эпизоды вечерней бессонницы, на приступообразные ощущения неадекватной усталости в утренне-дневное время суток и часто возникающие головные боли. У пациента отмечались кратковременные эпизоды синдрома тревожного расстройства и нередко наблюдалось пониженное настроение после пробуждения. Впервые отметил у себя проблемы со сном в юношеском возрасте, но они были относительно кратковременными, с некоторым усилением в зимнее время.
Нарастание симптомов связывает с переходом пять лет назад на работу, требующую выхода в ночные смены, с чередованием дневных и ночных смен. Два года назад перешел на работу с обычным дневным графиком, однако улучшения состояния не произошло, жалобы на сон сохранились, и даже несколько усилились. Физически развит нормально, активно занимался спортом до 27 лет, прекратил эти занятия в связи с ухудшением сна и нарушениями цикла "сон-бодрствование" при сменной работе. Биохимия крови по всем основным показателям в пределах нормы. На томограмме мозга, а также при анализе ЭЭГ, снятой в дневное время, и при консультации у невролога указаний на органическую патологию ЦНС не выявлено. Консультация психиатра: легкая форма сезонного аффективного расстройства.
Процедурам стимуляции предшествовала запись полисомнограммы. Объективно выявлен сниженный индекс дельта-сна и частые пробуждения во время сна. В ночном сне в эпизодах дельта-сна (неустойчивых и кратковременных) доминировала частота 1,5 Гц.
Прошел 20-дневный курс (10 ночей через ночь) электростимуляционной терапии по патентуемому способу. Использовано устройство, блок-схема которого представлена на чертеже. Текущие данные по электродермальной активности снимались электродами 1 телеметрического датчика, вмонтированного в браслет, устанавливаемый на правой руке пациента. Стимул подавался от электродов 8, закрепляемых на теле пациента, в двух вариантах: либо на другой руке (например, левой) в зоне восходящего нерва n. medianus в области запястья, при транскраниальном стимулировании - на лбу и на затылке. Связь между телеметрическим датчиком и блоком 6 управления осуществлялась по радиоканалу.
Блок 6 управления, связанный с генератором 7 стимулов, автоматически запускал и прекращал стимуляцию в соответствии с патентуемыми критериями:
- при N<1,5 имп/мин стимуляция проводилась прямоугольными импульсами с частотой заполнения 1,5 кГц, амплитудой 300 мкА, длительностью 15 мс и частотой следования 10 Гц;
- при N>3,6 имп/мин стимуляция проводилась прямоугольными импульсами с частотой заполнения 1,5 кГц, амплитудой 400 мкА, длительностью 160 мс и частотой следования 1,5 Гц (равной характерной собственной частоте ЭЭГ дельта-сна).
В интервале значений (1<N<4) имп/мин стимуляция не производилась: подачу стимула откладывали до наступления оговоренных значений. Параметр N определялся как среднее (за 1 мин) число КГР в скользящем окне слежения длительностью 5 мин.
После второй ночи со стимуляцией пациент отметил, что "не спал так хорошо с детства". В течение курса лечения отмечал устойчивое улучшение настроения при пробуждении, рост работоспособности и стремление к активному использованию времени вплоть до следующей ночи. Значительно уменьшился период латентности сна (до засыпания). Пациент не высказывал неудобств от использования датчика и электродов.
По завершении курса продолжал наблюдаться в течение 3-х месяцев с явкой два раза в месяц. За это время ни разу не сообщал о возврате устойчивых жалоб на нарушения сна. Сообщает о заметном увеличении интеллектуальной и физической активности. Вернулся к систематическим занятиям спортом, как он сам полагает, только благодаря проведенному курсу стимуляционной терапии во сне. Головные боли не отмечались за этот период ни разу. Рекомендован повтор курса терапии в зимнее время при ухудшении состояния.
Пример 2. Пациентка К., 57 лет, с жалобами на затянутый утренний сон, тяжелый выход из сна, а нередко также и на затрудненное засыпание, сниженную работоспособность, сонливость в течение дня в утреннее и послеобеденное время, иногда легкий тремор рук при нервных нагрузках.
В анамнезе - язвенная болезнь 12-перстной кишки (в настоящее время в стадии длительной ремиссии). Эпизодически в вечернее время повышение систолического АД - до 165 мм рт.ст. В случае укороченного сна отмечает падение наутро систолического АД до 100-105 мм рт.ст. При консультации у невролога - двигательные рефлексы в норме; зрение, слух - в пределах возрастной нормы. Картина крови - без патологии. Данные о собственной типичной частоте дельта-ритма пациентки во время медленного сна отсутствуют.
Пациентка прошла 12 сеансов стимуляционной терапии во сне по патентуемому способу. Первые 6 сеансов проводились с периодичностью: 1 ночь со стимуляцией, 2 ночи - перерыв. Последующие 6 сеансов - 1 ночь со стимуляцией и 1 ночь - перерыв проводились в домашних условиях.
Используемая аппаратура аналогична описанной в примере 1. Браслет телеметрического датчика размещался, по желанию пациентки, на ее левой руке. Электроды 8 закреплялись либо на одной, либо на обеих ногах пациентки в области щиколотки рядом с восходящим нервом n. tibialis, либо на боковой поверхности шеи в области ветвей n. vagus. Прямоугольные импульсы имели амплитуду 80 мкА в течение первых 6 сеансов и 100 мкА - в последующие 6 сеансов.
Состояния пациентки во сне выявлялись аналогично примеру 1 по следующим критериям:
- при N<1,5 имп/мин стимуляция проводилась прямоугольными импульсами с частотой заполнения 1 кГц, длительностью 15 мс и частотой следования 10 Гц;
- при N>3,6 имп/мин стимуляция проводилась прямоугольными импульсами с частотой заполнения 1 кГц, амплитудой 400 мкА, длительностью 160 мс и частотой следования 1,5 Гц (равной характерной доминирующей собственной частоте ЭЭГ дельта-сна).
В интервале значений (1,5<N<3,6) имп/мин стимуляция не производилась: подачу стимула откладывали до наступления оговоренных значений.
После шестой ночи со стимуляцией было проведено обследование состояния пациентки. Никаких жалоб с ее стороны не было. Систолическое АД, которое контролировала сама пациентка, не выходило за пределы 145-150 мм рт.ст. Тремор рук не проявлялся. По ее словам, чувствует себя в целом заметно лучше, после третьего сеанса установился устойчивый и достаточно глубокий сон. Длительность сна 7,5-8 часов, выход из сна - самопроизвольный, без неприятных ощущений при пробуждении. Повышенной утомляемости не отмечает ни в первой, ни во второй половине дня. Эпизоды дневной сонливости стали реже, и по длительности существенно сократились. Пациентка сама сообщила о желании повторить курс через полгода.
Таким образом, приведенные примеры показывают возможность использования электродермальной активности, позволяющей по сигналам КГР адекватно определить текущее психофизиологическое состояние спящего, обеспечить неинвазивный контроль и анализ фаз сна пациента и его коррекцию, а также упростить процесс измерений.
1. Способ коррекции функционального состояния пациентов, страдающих нарушениями сна, состоящий в мониторинге физиологической характеристики спящего и подаче электрического стимула для управления архитектурой сна, отличающийся тем, что в качестве физиологической характеристики регистрируют сигналы электродермальной активности, из сигналов электродермальной активности выделяют электрические импульсы кожно-гальванической реакции с относительной амплитудой более 1%, от среднего значения текущей проводимости, определяют количество N упомянутых импульсов в скользящем окне слежения, имеющем фиксированную длительность, и при значении N, большем или равном 3,6 имп./мин, квалифицируют состояние пациента как состояние 1, при значении N, меньшем чем 1,5 имп./мин - как состояние 2, а при значении N между 1,5 и 3,6 имп./мин - как состояние 3, причем в состоянии 1 стимул подают до перехода в состояние 2 или 3 либо до пробуждения пациента, в состоянии 2 стимул подают до перехода в состояние 1 или 3 либо до пробуждения пациента, а в состоянии 3 подачу стимула откладывают до наступления состояния 1 или 2, при этом проводят электрическую стимуляцию нервов n. medianus, или n. tibialis, или n. vagus или транскраниальную стимуляцию мозга, а в качестве электрического стимула подают прямоугольные импульсы с частотой заполнения 1-2 кГц, амплитудой от 50 до 500 мкА и плотностью тока не выше 500 мкА/см2, причем в состоянии 1 воздействуют импульсами длительностью 100-200 мс с частотой следования 0,5-4 Гц, а в состоянии 2 - длительностью 10-20 мс и частотой следования 8-15 Гц.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность скользящего окна слежения составляет от 3 до 10 последовательных минут, предпочтительно 3-5.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигналы электродермальной активности регистрируют посредством по меньшей мере одного датчика, содержащего два электрода, выполненные с возможностью обеспечения электрического контакта с кожным покровом руки, при этом датчик укреплен на браслете или перстне или установлен в перчатке.
