КОМПЕНСАЦИОННЫЙ НЕЙРОСТИМУЛЯТОР
COMPENSATION NEUROSTIMULATOR

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам нейростимуляции.
Нейростимуляция нервной ткани используется для нескольких целей, включая устранение боли, диагностику и восстановление нервных функций. Имплантируемые устройства (нейростимулятор) используются для доставки терапии для пациентов для лечения различных симптомов или заболеваний, таких как хроническая боль, тремор, болезнь Паркинсона, эпилепсия, недержание мочи, сексуальной дисфункции или гастропареза. Преимущества нейростимуляции: наибольшая эффективность по сравнению со всеми существующими сегодня методами; обратимость; отсутствие побочных эффектов и клинически значимых осложнений; независимость пациента - от медикаментов; от стационаров; от посторонней помощи. Система для нейростимуляции состоит из трех базовых имплантируемых компонентов и они могут использоваться унилатерально, а также билатерально: 1. Нейростимулятор, 2. Удлинитель, 3. Чрескожный или хирургический электрод. Нейростимулятор, или имплантируемый генератор импульсов: Нейростимулятор представляет собой изолированное устройство, похожее не кардиостимулятор, состоящее из батареи и электроники. Он имплантируется подкожно и вырабатывает электрические импульсы, необходимые для унилатеральной или билатеральной стимуляции. Эти импульсы проводятся по удлинителям и электродам в спинной мозг. Например, компания Medtronic производит следующие нейростимуляторы: Неперезаряжаемые нейростимуляторы: Itrel3, Synergy, primeadvanced Перезаряжаемые нейростимуляторы: restoreavdanced, restoreultra. Удлинитель - это тонкий изолированный провод. Удлинители имплантируют подкожно, соединяя электрод с нейростимулятором. Электрод представляет собой тонкий изолированный четырехжильный провод с четырьмя, восемью или 16-ю контактами на кончике. Электрод имплантируется в эпидуральное пространство, чтобы проводить туда электрический ток, осуществляющий нейростимуляцию. Преимущества имплантируемых нейростимуляторов: эффективный метод контроля боли; предварительное лечение позволяет определить реакцию пациента перед полной имплантацией; система может перепрограммироваться без участия хирурга; контроль состояния пациента без специальных мер; простая процедура, сравнимая по эффективности с хирургическими методами; эффект сравним с действием обезболивающих. Процедура предварительного лечения: 1. Электроды помещаются чрескожно в эпидуральной области спинного мозга у соответствующих нервных окончаний. 2. Электрический ток из электродов вызывает парестезию, интенсивность и область действия которой может регулироваться для достижения наилучшего обезболивающего эффекта. 3. Электроды соединены с импульсным генератором (управляющий модуль).
Пациент может использовать управляющий модуль для контроля стимуляции нервных окончаний.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является «Имплантируемый нейростимулятор» (см. пат. США на патент WO 2006098824 A1, Int. C1. A61N 1/05. опубл. 21.09.2006). Нейростимулятор состоит из электродов, вживленных в нервное волокно, аккумулятора и генератора импульсов. Данная конструкция позволяет наиболее полно реализовать принципы нейростимуляции через использование нейроимпульса.
Однако эта конструкция имеет ряд недостатков, а именно генератор импульсов работает только на подавление за счет увеличенной мощности без учета частотных особенностей нейроимпульса, этот нейроимпульс просто залавливается мощностью с вероятным повреждением нервных тканей. При этом залавливаются и другие нейроимпульсы, имеющие другое неболевое значение. Помимо этого определение эффективной настройки нейростимулятора по частоте и амплитуде сигнала происходит ручным способом по субъективным ощущениям пациента. Кроме того, большой расход мощности требует повышенной емкости аккумулятора и соответственно его увеличенных габаритов.
Цель изобретения - разработка способа и устройства нейростимулятора, повышающих качество электростимуляции нервной ткани, повышение частотно-избирательных свойств устройства при уменьшении массогабаритных параметров.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в использовании смешения нейроимпульса и эталонных частотно-модулированных и фазомодулированных импульсов для получения информации о параметрах нейроимпульса в целях создания генерируемого импульса, способного подавить нейроимпульс.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признаки, указывающие, что «Нейростимулятор содержит электрод, снимающий сигнал нейроимпульса с нервного волокна, который далее суммируется с сигналами от эталонного генератора, представляющими собой импульсы, соразмерные амплитуде нейроимпульса, с пилообразной модуляцией пошагового изменения несущей частоты в диапазоне, соответствующем диапазону частот нейроимпульса для каждого шага изменения фазы от 0° до 180°», позволяют данной совокупностью признаков обеспечить наличие информационного массива данных для адресного обнаружения по фазе и частоте составляющих спектра нейроимпульса, по фазе и частоте которые подавились в противофазе, смешавшись с нейроимпульсом.
Признаки, указывающие, что «информация о чем поступает на генератор сигналов, который возобновляет генерацию подавленного сигнала по частоте, фазе, амплитуде и длительности и передает его на стимулирующие электроды, контактирующие с нервным волокном, при этом длины шагов пошагового изменения несущих частот и дискретного изменения фазы определяются условиями распознавания сигналов анализатором», обеспечивают адресное подавление по фазе и частоте составляющих спектра нейроимпульса, по фазе и частоте подавилась в противофазе, суммируясь с нейроимпульсом. Другими словами, мы создаем матрицу эталонных сигналов, которые рассредоточены в пространстве импульса по времени прохождения импульса. Параметрами такого эталонного сигнала является частота, изменяющаяся с определенным пилообразным шагом несущих частот, диапазон значения которой заранее определен из предварительных измерений, и фаза, с которой начинается генерация каждого сигнала эталонной частоты с дискретным изменением фазы от 0° до 180° для каждого шага несущей частоты. Местонахождение каждого такого сигнала известно по шкале времени и устройству обработки. Суммируя эти сигналы с сигналом нейроимпульса, мы получаем в определенный момент и на определенном устройстве подавление одного или нескольких эталонных сигналов, поскольку всегда будет случай, когда встретятся часть нейроимпульса в виде гармонического сигнала постоянной несущей частоты как одной из спектральных составляющих и постоянной фазы с таким же эталонным сигналом той же частоты, но в противоположной фазе. В этом случае сигнал подавляется или компенсируется. В итоге на выходе мы имеем провал в амплитудной характеристике и мы по шкале времени будем знать, какова частота такого сигнала и какова его фаза. При этом не требуется дополнительных затрат времени на преобразование Фурье. Соответственно эта задача ставится анализатором, который дает задание генератору импульсов на генерацию сигналов необходимой несущей частоты и фазы. Данные сигналы подаются на стимулирующий электрод, контактирующий с нервным волокном. Таким образом, данной совокупностью признаков обеспечивается: Адресное обнаружение по фазе и частоте составляющих спектра нейроимпульса и подавление.
Признаки второго пункта формулы изобретения, указывающие, что «сигналы от эталонного генератора представляют собой импульсы, соразмерные амплитуде нейроимпульса, с пошаговой модуляцией дискретного изменения фазы от 0° до 180° для каждого шага несущей частоты в диапазоне, соответствующем диапазону частот нейроимпульса», позволяют по данному варианту обеспечить наличие информационного массива данных для адресного обнаружения по фазе и частоте составляющих спектра нейроимпульса, по фазе и частоте которые подавились в противофазе, смешавшись с нейроимпульсом.
Признаки третьего пункта формулы изобретения «параллельная обработка с пилообразной модуляцией пошагового изменения несущих частот с соответствующим с дискретным изменением фазы от 0° до 180° для каждого с последующей суммацией с нейроимпульсом» позволяют уменьшить время обработки сигнала.
Признаки четвертого пункта формулы изобретения «пошаговые модуляции дискретных значений фазы от 0° до 180° для каждого шага обрабатываются параллельно при пилообразном пошаговом изменении несущих частот» позволяют уменьшить время обработки сигнала.
Признаки пятого пункта формулы изобретения, указывающие на то, что «пошаговые модуляции дискретных значений задержек времени в пределах длины волны для каждого шага несущей частоты обрабатываются параллельно при пилообразном пошаговом изменении несущих частот», позволяют существенно упростить схему обработки сигнала.
Признаки шестого пункта формулы изобретения, указывающие на то, что при известной постоянной частоте нейроимпульса соответственно уменьшается длительность модуляции пилообразного пошагового изменения несущих частот, что существенно для упрощения работы нейростимулятора и уменьшает время обработки сигнала.
Признаки седьмого пункта формулы изобретения, указывающие, что «наличие дополнительного электрода, снимающего сигнал после управляющего электрода, и подаваемый на анализатор, который модулирует генерацию утраченного сигнала по частоте, фазе, амплитуде и длительности и передает через стимулирующий электрод, контактирующий с нервным волокном», обеспечивают контроль и качество получаемого подавления нейросигнала через корректировку сигнала на управляющий электрод.
На Фиг. 1 изображен пример гармонического сигнала 1 на определенной частоте и гармонического сигнала 2 на такой же частоте, но в противофазе, и результирующий сигнал 3, как результат смешения сигналов 1 и 2.
На Фиг. 2 изображен сигнал, получаемый от электрода, снимающего нейроимпульс 4, и сигнал, получаемый от эталонного генератора с пилообразным пошаговым изменением несущих частот в диапазоне, соответствующем диапазону частот нейроимпульса при пошаговом дискретном изменении фазы от 0° до 180° для каждого шага несущей частоты 5, сумматор 6 и получающийся выходной сигнал 7.
На Фиг. 3 изображен сигнал, получаемый от электрода, снимающего нейроимпульс 4, и вариантом сигнала, получаемого от эталонного генератора, будет сигнал с пошаговым дискретным изменением фазы от 0° до 180° для каждого шага несущей частоты с пилообразным пошаговым изменением несущих частот в диапазоне, соответствующем диапазону частот нейроимпульса 8.
1
n
На Фиг. 4 изображен сигнал, получаемый от электрода, снимающего нейроимпульс 4, с параллельной обработкой шаговых значений несущих частот 9, 10, 11, 12 от частоты f до частоты f с соответствующим дискретным изменением фазы от 0 до 180 для каждого с последующей суммацией с нейроимпульсом и соответствующими действиями анализатора.
На Фиг. 5 изображен сигнал, получаемый от электрода, снимающего нейроимпульс 4, пошаговых дискретных значений фазы от 0° до 180° 13, 14, 15, 16 для каждого шага при пилообразном пошаговым изменении несущих частот в диапазоне, соответствующем диапазону частот нейроимпульса с последующей суммацией с нейроимпульсом и соответствующими действиями анализатора.
На Фиг. 6 изображена схема нейростимулятора, где указано нервное волокно 17, снимающий электрод 18, эталонный генератор 19, сумматор 3, анализатор 20, генератор импульсов 21 и управляющий электрод 22.
На Фиг. 7 изображена схема нейростимулятора, где указано нервное волокно 17, снимающий электрод 18, эталонный генератор 19, сумматор 3, анализатор 20, генератор импульсов 21, управляющий электрод 22 и дополнительный электрод 23.
Компенсационный нейростимулятор работает следующим образом. Базисный принцип построения Компенсационного нейростимулятора определен согласно Фиг. 1, когда складываются и смешиваются две волны одинаковой частоты, но противоположной фазы 1, 2 и в итоге получаем сигнал 3, в котором эти два противофазных составляющих взаимокомпенсируются, что является основанием для учета этого факта и для дальнейшего воспроизводства необходимого сигнала.
Указанный принцип раскрыт на Фиг. 2, где изображен сигнал, получаемый от электрода, снимающего нейроимпульс 4, смешивается в сумматоре 6 с сигналом 5, получаемым от эталонного генератора с пилообразным пошаговым изменением несущих частот в диапазоне, соответствующем диапазону частот нейроимпульса при с пошаговом дискретном изменении фазы от 0° до 180°. Базовый принцип этого сигнала: все изменения частоты и фазы закреплены на временной развертке и поэтому любое наложение сигнала, совместимого по частоте и фазе, вызовет изменение амплитудно-частотной характеристики, что соответственно даст нам информацию о параметрах нейроимпульса по получающемуся выходному сигналу 7. Указанный принцип раскрыт на Фиг. 3, где изображен сигнал, получаемый от электрода, снимающего нейроимпульс 4, смешивается в сумматоре 6 с вариантом сигнала 8, получаемого от эталонного генератора, будет сигнал с пошаговым дискретным изменением фазы от 0° до 180° для каждого шага несущей частоты в диапазоне, соответствующем диапазону частот нейроимпульса.
1
n
На основе указанных принципов подачи эталонного сигнала, но с учетом необходимости уменьшения времени обработки изменена схема обработки, где изменение с дискретным изменением фазы от 0° до 180° остается во временных рамках, а обработка шаговых значений несущих частот внесена в схемное решение через параллельное соединение. Таким образом, на Фиг. 4 параллельно обрабатываются шаговые значения несущих частот 9, 10, 11, … 12 от частоты f до частоты f. При этом дискретные изменения фазы от 0° до 180° обрабатываются для каждого дискретного значения частоты с последующей суммацией с нейроимпульсом 4 в сумматоре 6 с соответствующей подачей выходного сигнала 7 для дальнейшей обработки.
1
n
На основе указанных принципов подачи эталонного сигнала, но с учетом необходимости уменьшения времени обработки, исходя из средней длительности нейроимпульса около 1,5 мс [1], изменена на другой вариант схема обработки, где изменение обработка шаговых значений несущих частот остается во временных рамках, а внесено в схемное решение с дискретным изменением фазы от 0° до 180° через параллельное соединение. Таким образом, на Фиг. 5 параллельно обрабатываются шаговые значения, дискретные изменения фазы от 0° до 180° по сигналам 13, 14, 15, … 16. При этом несущие частоты от частоты f до частоты f обрабатываются для каждого дискретного значения частоты по временной составляющей с последующим суммацией с нейроимпульсом 4 в сумматоре 6 с соответствующей подачей выходного сигнала 7 для дальнейшей обработки.
1
n
Таким образом, на Фиг. 5 параллельно обрабатываются пошаговые модуляции дискретных значений задержек времени в пределах длины волны для каждого шага несущей частоты, обрабатываются параллельно при пилообразном пошаговом изменении несущих частот по сигналам 13, 14, 15, … 16, с той лишь разницей, что мы имеем определенную задержку времени для сигнала и это будет пропорционально своей фазе для каждого шага несущей частоты, однако при учете перехода через 0° по фазе. При этом несущие частоты от частоты f до частоты f обрабатываются для каждого дискретного значения частоты по временной составляющей с последующей суммацией с нейроимпульсом 4 в сумматоре 6 с соответствующей подачей выходного сигнала 7 для дальнейшей обработки.
В соответствии с вышеизложенным блок-схема по Фиг. 6 работает следующим образом. Снимающий электрод 18 получает нейроимпульс от нервного волокна 17 и подает его на сумматор 3, на который приходят сигналы от эталонного генератора 19, описанные в соответствии с Фиг. 4 и Фиг. 5. Полученный смешанный сигнал содержит информацию о результате взаимодействия сигналов нейроимпульса и от эталонного генератора. В результате взаимодействия сигналов компенсируются сигналы, имеющие одинаковую частоту, но находящиеся в противофазе. Детектируются провалы в амплитудной характеристике и поскольку расположение сигналов эталонного генератора точно определено как по времени, так и по месту обработки в параллельной схеме соединения, то решая эту задачу, анализатор 20 подает информацию на генератор импульсов 21 о том, спектр каких сигналов надо воспроизвести, с какой частотой и с какой фазой. Соответственно этот сигнал подается на управляющий электрод 22 и в нервном волокне уже фактически во второй раз суммируется нейроимпульс с сигналом от генератора 21. В итоге мы имеем точно определенные значения сигналов по частоте и фазе, которые адресно взаимодействуют со всем спектром нейроимпульса и подавляют и компенсируют его.
Вариант работы по Фиг. 7 соответствует принципам работы по Фиг. 6. Однако здесь существует дополнительный электрод 23, который снимает нейросигнал, получившийся после смешения с сигналом от управляющего электрода 22. Качество полученного сигнала вновь тестируется анализатором 20, и если нет провалов в амплитудной характеристике, т.е. нет сигналов, находящихся в противофазе с сигналами от эталонного генератора 16, то значит, что нейросигнал подавился хорошо и, следовательно, нет необходимости в поправках по сигналу на управляющий электрод 22, но если же провалы в амплитудной характеристике остаются, т.е. есть сигналы или часть их, находящихся в противофазе с сигналами от эталонного генератора 16, то анализатор 17 выдает поправочный сигнал на генератор 21 с целью изменения частоты и фазы выдаваемых сигналов, подаваемых на управляющий электрод 22.
Использованные источники
1. Чернышев С.Л., Чернышев А.С. «Моделирование нейронной сети с учетом биологических свойств нейрона». Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2014. №11. С. 510-520.