Устройство и способ магнитной стимуляции с переменными импульсными интервалами
Группа изобретений относится к медицине, а именно к модуляции мозговой активности. Предложены устройство и способ модуляции мозговой активности с помощью повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции (rTMS), при этом способ предусматривает сбор набора данных EEG от млекопитающего и анализ набора данных EEG с помощью вейвлет-преобразования. В результате получают картину сигнала EEG, которая применяется для программирования устройства rTMS для передачи импульсов rTMS, характеризующихся переменными импульсными интервалами, при этом максимальное значение интенсивности импульсов rTMS находится ниже моторного порога млекопитающего. Программируемое устройство rTMS для осуществления способа содержит магнитную катушку для передачи импульсов rTMS с переменными импульсными интервалами. Группа изобретений обеспечивает достижение улучшения физиологического или клинического состояния при осуществлении повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу модуляции мозговой активности с помощью повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции (rTMS), причем rTMS осуществляют с использованием переменных импульсных интервалов в течение промежутка времени, достаточного для модуляции указанной мозговой активности, при этом достигают улучшение физиологического состояния или клинического состояния. Установки переменных импульсных интервалов получены в результате анализа сигнала электроэнцефалограммы (EEG) пациента, который был проведен с помощью обработки с применением вейвлет-преобразования.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Транскраниальная магнитная стимуляция и rTMS использовались для лечения многих психологических и медицинских расстройств, таких как большое депрессивное расстройство, болезнь Паркинсона, посттравматическое стрессовое расстройство (PTSD), болезнь Альцгеймера, расстройства аутистического спектра (ASD), шизофрения, купирование болевого синдрома и другие. Недавно Джин (Jin) и Филлипс (Phillips) в публикации патента США №2009/0082690 раскрыли протокол лечения с использованием rTMS, в котором выходной сигнал магнитного поля регулируют на основе собственных частот EEG пациента с целью изменения собственных частот EEG пациента. В патенте США №9,308,385 применяют другой подход к управлению rTMS, в котором используют частоту, основанную на биологической метрике или гармонике биологической метрики.
rTMS обеспечивают с помощью устройства, которое состоит из магнитных катушек, которые создают импульсные магнитные поля. При необходимости частоты и интенсивность могут быть переменными. В известном уровне техники лечение rTMS заключалось в передаче одной частоты с заданной интенсивностью. Настоящее изобретение предлагает новую систему обеспечения rTMS, которая обеспечивает rTMS с переменными импульсными интервалами с несколькими частотами и переменными выходными значениями интенсивности.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Вкратце, в соответствии с настоящим изобретением мозговую активность млекопитающего модулируют, подвергая млекопитающее повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции (rTMS) с переменными импульсными интервалами, которые определяют с помощью индивидуальных характеристик EEG, в течение времени, достаточного для модуляции указанной активности мозга, при этом достигают улучшения физиологического состояния или клинического состояния. Согласно одному варианту осуществления переменные импульсные интервалы определяют с помощью выполнения процедуры записи EEG млекопитающего для того, чтобы создать набор данных EEG, и анализа набора данных EEG с помощью алгоритма вейвлет-преобразования. Алгоритм вейвлет-преобразования идентифицирует уникальную картину сигнала EEG для млекопитающего/пациента. Затем картину сигнала EEG используют для получения последовательности транзисторно-транзисторной логики (TTL) или других триггерных импульсов для программирования устройства rTMS, чтобы обеспечить переменные импульсные интервалы и переменные значения интенсивности. Модулируемая мозговая активность может представлять собой какой-либо одну желаемую ширину полосы частот или несколько желаемых значений ширины полос частот, при этом она включает в себя ширину полосы частот мозга в диапазоне 3-7 Гц, ширину полосы частот мозга в диапазоне 8-13 Гц, ширину полосы частот мозга в диапазоне 15-20 Гц и ширину полосы частот мозга в диапазоне 35-45 Гц, а также и любую группу промежуточных значений ширины полос в пределах этих диапазонов. Если для лечения пациента выбрана ширина полосы частот в диапазоне 8-13 Гц, фактическая ширина полосы, используемая для лечения этого пациента, может быть сужена в пределах этого диапазона ширины полосы в зависимости от изменения интервалов колебаний EEG пациента, например, 105-110 мс, то есть ширины полосы частот 9,1-9,5 Гц. Успех в модуляции достигают в том случае, когда целевая ширина полосы частот имеет увеличение амплитуды или относительной плотности потока энергии в дополнение к улучшению симптомов, связанных с клиническими и физиологическими состояниями, которые подвергают лечению.
Физиологические состояния и медицинские состояния, которые могут быть улучшены с помощью модуляции мозговой активности в соответствии с настоящим изобретением, представляют собой любые состояния, при которых аномальная мозговая активность способствует определенному состоянию. Улучшения видны, когда желательные или целевые полосы излучаемых мозгом волн характеризуется увеличением амплитуды или относительной плотности потока энергии. Состояния, которые подвергают лечению, включают в себя, кроме прочего, расстройства аутистического спектра (ASD), болезнь Альцгеймера (AD), посттравматическое стрессовое расстройство (PTSD), черепно-мозговую травму (TBI), ухудшение памяти, депрессию, боль, зависимость, обсессивно-компульсивные расстройства (OCD), тревогу, болезнь Паркинсона, гипертонию, нарушение либидо, нарушения двигательной функции, маленький рост у детей младшего возраста, стресс, ожирение, нарушения сна, расстройства пищевого поведения, нарушения концентрации/фокусирования, нарушения речи, нарушения интеллекта, нарушения когнитивной функции, синдром дефицита внимания и гиперактивности (ADHD), шизофрению, кому, биполярные расстройства, шум в ушах, фибромиалгию, хроническую болезнь Лайма, ревматоидный артрит и другие аутоиммунные заболевания, подагру, диабет, артрит, реабилитацию после травмы, спортивную подготовку, улучшение когнитивных функций и инсульт.
Согласно особо предпочтительному практическому применению настоящего изобретения пациента подвергают повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции (rTMS) с переменными импульсными интервалами в течение времени, достаточного для модуляции мозговой активности у пациента, когда достигается улучшение физиологического состояния или клинического состояния. Для создания набора данных EEG проводят процедуру записи EEG пациента. Набор данных EEG анализируют с помощью вейвлет-преобразования. Полученный с помощью анализа вейвлет-преобразования сигнал затем используют для программирования переменных импульсных интервалов (частот и амплитуд) в устройстве rTMS. Алгоритм вейвлет-преобразования позволяет получить уникальный сигнал EEG и профиль переменных импульсных интервалов, что приводит к требуемому улучшению физиологического или медицинского состояния, которое подвергают лечению.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 показаны необработанные данные EEG и сигнал, полученный с помощью вейвлет-анализа.
На фиг. 2 показаны результаты энергетических спектров EEG пациента до и после лечения.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Термин «млекопитающее», используемый в настоящем документе, включает в себя любое млекопитающее, но особенно людей. Млекопитающие, не являющиеся человеком, включают в себя нечеловекообразных приматов, животных, содержащихся в зоопарках, домашних животных (собак, кошек) и специально разводимых животных, таких как скаковые лошади и племенные животные. Любая ссылка на «людей», упоминаемых в настоящем документе, будет применима к другим млекопитающим, которые проявляют такие же физиологические или медицинские состояния. Любая используемая в настоящем документе ссылка на «пациента» применима к любому млекопитающему (предпочтительно людям), которое может испытывать конкретное состояние, при котором делается ссылка на пациента.
При осуществлении настоящего изобретения пациенту, испытывающему физиологические состояния и/или медицинские состояния, при которых необходимо лечение, проводят снятие EEG. Необработанные данные EEG анализируют с помощью алгоритма вейвлет-преобразования, в результате чего получают уникальный вейвлет-сигнал EEG пациента. Картину вейвлет-сигнала EEG используют для программирования TTL-импульсов или других триггеров, генерируемых с помощью устройства rTMS, в переменные импульсные интервалы. Пациенту осуществляют rTMS с переменными импульсными интервалами в течение промежутка времени, достаточного для модуляции мозговой активности, что приводит к улучшению физиологического состояния или клинического состояния, подвергаемого лечению.
Согласно предпочтительному варианту осуществления переменные импульсные интервалы применяют в протоколе rTMS, который используют в течение времени, достаточного для модуляции мозговой активности, что приводит к улучшению физиологического состояния или клинического состояния. Предпочтительно, лечение проводят ежедневно или 5 дней в неделю в течение месяца, после чего необходимо выполнить повторную оценку динамики состояния пациента. Установки переменного импульсного интервала достигаются с помощью программирования устройства rTMS с использованием сигнала EEG пациента, полученного путем применения вейвлет-анализа, для обеспечения магнитной стимуляции с переменными импульсными интервалами. Модулируемую конкретную активность мозга или ширину полосы частот излучаемых мозгом волн определяют при помощи EEG пациента. Предпочтительная ширина полосы частот мозга находится в диапазоне 8-13 Гц. Установка максимального значения интенсивности магнитных импульсов обычно ограничена моторным порогом пациента или значением ниже моторного порога. Предпочтительно пиковую мощность/интенсивность импульсов rTMS устанавливают в пределах примерно до 80% моторного порога пациента.
Сеанс rTMS в соответствии с настоящим изобретением осуществляют в соответствии с хорошо известными протоколами с использованием магнитных катушек. Продолжительность фактической магнитной стимуляции в течение установленного периода времени будет варьировать в зависимости от каждой клинической картины. Предпочтительно проводить магнитную стимуляцию в течение шести непрерывных секунд в каждую минуту сеанса rTMS. Сеансы могут длиться от 15 до 60 минут, но предпочтительно - около 30 минут. Магнитные катушки располагаются в непосредственной близости или вплотную к голове пациента, предпочтительно рядом с областью головы, где в мозге пациента преобладают волны с желаемой частотой. Например, при лечении пациента с шириной полосы частот в диапазоне 8-13 Гц магнитные катушки rTMS обычно располагают вплотную к области лобной доли (лба) пациента, в которую подают частоты на основе переменных импульсных интервалов. Для лечения пациента частотами на основе переменных импульсных интервалов в более чем одном диапазоне ширины полосы частот магнитные катушки располагают рядом с областями мозга, которые EEG пациента определила как такие, которые имеют плохую когерентность, низкую энергию и/или рядом с областями, которые являются несинхронными.
Лечение пациентов/млекопитающих может быть проведено в отношении любого одного или нескольких диапазонов частот излучаемых мозгом волн, описанных в настоящем документе. Когда целью является более чем один диапазон ширины полосы частот излучаемых мозгом волн, переменные импульсные интервалы rTMS могут быть применены одновременно или последовательно за один сеанс лечения. Когда воздействие направлено на несколько диапазонов значений ширины полосы частот излучаемых мозгом волн, rTMS может обеспечиваться посредством устройства rTMS, которое может передавать частоты на основе переменных импульсных интервалов более чем в одну область головы пациента. Альтернативно, можно использовать несколько устройств rTMS для передачи требуемых частот на основе переменных импульсных интервалов в требуемые области.
Нуждающемуся в лечении пациенту проводят процедуру записи EEG, в результате чего получают набор данных EEG. Затем данные EEG анализируют с помощью алгоритма вейвлет-преобразования, в результате чего получают картину 102 (см. фиг. 1) сигнала EEG пациента. После этого сигнал EEG пациента, полученный с помощью вейвлет-анализа, используют для определения переменных импульсных интервалов, используемых при лечении пациента с помощью rTMS.
Рассмотрим фиг. 1, профиль 101 необработанных данных EEG анализируют с помощью алгоритма вейвлет-преобразования, в результате чего для пациента получают индивидуальную картину 102 вейвлет-преобразования. Затем картину сигнала EEG анализируют для определения временной последовательности с варьированием периода А0, A1, А2……Аn и установок амплитуды с варьированием значения интенсивности C1-D1, C2-D2, C3-D3 … Cn-Dn. Установки мощности определяют посредством величины каждой волны EEG, измеренной между высшей точкой (С) и предыдущей низшей точкой (D). Триггерный импульс rTMS возникает в высшей точке каждой волны, определенной с помощью вейвлет-анализа, и на фиг.1 это представлено «n» импульсами - один импульс в A1, А2, … Аn. Следует понимать, что п>1 и может быть более или менее 3 импульсов на серию импульсов в зависимости от данных EEG и вейвлета. Распределение импульсов по времени показано значениями Т1, Т2 и Тn, которые определены периодом между волнами EEG, представленным посредством анализа вейвлет-преобразования. При целевых излучаемых мозгом волнах в диапазоне 8-13 Гц распределение импульсов по времени будет варьировать, находясь в пределах 75-125 миллисекунд (мс).
На фиг. 2 представлен график энергетических спектров EEG пациента и изображена зависимость мощности 201 от частоты 202, показывающая профиль 304 до лечения и профиль 303 после лечения.
После того, как сигнал EEG пациента идентифицирован с помощью анализа вейвлет-преобразования, он используется для программирования устройства rTMS для обеспечения установок переменных импульсных интервалов, которые будут использоваться при лечении этого пациента с помощью rTMS.
Кроме того, настоящее изобретение относится к усовершенствованному устройству rTMS, при этом усовершенствование включает в себя средство для передачи импульсов rTMS в виде переменных импульсных интервалов. Согласно одному варианту осуществления устройство rTMS запрограммировано передавать переменные импульсные интервалы. Предпочтительно, пиковая мощность или интенсивность, воздействующая на пациента, ниже моторного порога пациента и составляет 40-90% от моторного порога пациента, тогда как в остальном интенсивность импульса изменяется пропорционально соответствующей амплитуде волны сигнала EEG.
Настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без выхода за рамки сущности или существенных характеристик настоящего изобретения. Во всех отношениях описанные варианты осуществления следует рассматривать лишь в качестве иллюстративных, а не ограничивающих. Следовательно, объем настоящего изобретения указан прилагаемой формулой изобретения, а не приведенным выше описанием. Все изменения, которые выполнены в пределах смыслового содержания и диапазона эквивалентов формулы изобретения, должны быть включены объем формулы изобретения.
1. Способ работы устройства rTMS для модуляции мозговой активности млекопитающего, который предусматривает:
а. сбор набора данных EEG от млекопитающего и анализ набора данных EEG с помощью вейвлет-преобразования, в результате чего получают картину сигнала EEG, и
b. применение картины сигнала EEG для программирования устройства rTMS для передачи импульсов rTMS, характеризующихся переменными импульсными интервалами,
отличающийся тем, что максимальное значение интенсивности импульсов rTMS находится ниже моторного порога млекопитающего.
2. Способ работы по п. 1, в котором модулируемая мозговая активность содержит одно или несколько значений ширины полос частот излучаемых мозгом волн от 3 до 7 Гц, от 8 до 13 Гц, от 15 до 20 Гц и от 35 до 45 Гц.
3. Способ работы по п. 2, в котором модулируемая мозговая активность представляет собой ширину полосы частот излучаемых мозгом волн от 8 до 13 Гц.
4. Способ работы по п. 1, в котором переменные импульсные интервалы получают из сигнала EEG, полученного с помощью вейвлет-преобразования.
5. Способ работы по п. 4, в котором модулируемая мозговая активность включает в себя одно или несколько значений ширины полос частот излучаемых мозгом волн от 3 до 7 Гц, от 8 до 13 Гц, от 15 до 20 Гц и от 35 до 45 Гц.
6. Способ работы по п. 1, в котором максимальное значение интенсивности импульсов rTMS составляет 40-90% моторного порога млекопитающего.
7. Способ работы по п. 6, в котором максимальное значение интенсивности импульсов rTMS составляет около 80% моторного порога млекопитающего.
8. Программируемое устройство rTMS для осуществления способа по п.1, которое содержит магнитную катушку для передачи импульсов rTMS с переменными импульсными интервалами.
9. Программируемое устройство rTMS по п. 8, в котором переменные импульсные интервалы получены с помощью вейвлет-преобразования.
