УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ И ПОДАВЛЕНИЯ ЭПИЛЕПТИФОРМНОЙ АКТИВНОСТИ

Полезная модель относится к медицинской технике, в частности к информационнно-управляющим системам медицинского назначения, используемым для выявления 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, ΜΠΚ 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 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.
Известна радиоуправляемая нейромодулирующая система [пат. США №20070282389 Α1, 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.
Известно устройство обнаружения и предупреждения эпилептиформной активности [Заявка №2011134228 от 15.08.2011 г.с решением о выдаче патента от 22.04.2013 г.на изобретение], выбранное в качестве прототипа, которое содержит информационно-стимулирующий блок и блок оценки и управления. Информационно-стимулирующий блок состоит из системы микроэлектродов, при использовании имлантируемых в зону расположения очага эпилептиформной активности, в диагностическом режиме выполняющих регистрирующую функцию, а в стимулирующем режиме оказывающие электронейростимуляцию, соединенных через первый и второй информационные входы микросистемного коммутатора с последовательно включенными предусилителем и фильтром, выход которого является выходом информационно-стимулирующего блока. Микросистемный коммутатор снабжен управляющим входом, определяющим диагностический или стимулирующий режим работы устройства, подключенным ко 2 выходу модуля обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов блока оценки и управления, а также стимулирующим входом, подключенным к электронейростимулятору блока оценки и управления.
Блок оценки и управления, при использовании имплантируемый в подключичную область, содержит модуль обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов, вход которого является входом блока оценки и управления 19 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. Блок оценки и управления также включает в себя приемопередатчик, микроантенну, входящую в канал телеметрической связи с блоком врача, и блок питания.
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 ко второму входу информационно-стимулирующего блока, а вход модуля обработки и анализа электроэнцефалографических сигналов, являющийся входом аналогово-цифрового преобразователя, соединен с выходом информационно-стимулирующего блока.
Однако в прототипе обнаружение эпилептиформной активности основано на потоке однородных сигналов от единственной физиологической системы пациента, что снижает надежность и достоверность ее выявления, а также в результате уменьшает эффективность ее подавления.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении надежности и достоверности обнаружения и эффективности лечебных воздействий по подавлению эпилептиформной активности.
Технический результат достигается тем, что в устройстве обнаружения и подавления эпилептиформной активности, содержащем систему микроэлектродов, имплантируемых в зону очага эпилептиформной активности, информационно-стимулирующий блок и блок оценки и управления, имплантируемые в подключичной области и связанные телеметрическим каналом с блоком врача, и блок питания, причем первый вход информационно-стимулирующего блока, являющийся информационными входами микросистемного коммутатора, соединен с выходом системы микроэлектродов, а его первый выход, являющийся выходом фильтра, соединенного через предусилитель с выходами микросистемного коммутатора, подключен к первому входу блока оценки и управления, связанному с первым входом модуля обработки и анализа биосигналов, первый выход которого соединен с приемопередатчиком, связанным через телеметрический канал с блоком врача, и с входом электронейростимулятора, а его второй выход соединен с первым выходом блока оценки и управления, второй выход которого соединен с выходом электронейростимулятора, причем первый и второй выходы блока оценки и управления соединены со вторым и третьим входами информационно-стимулирующего блока, второй вход которого соединен с управляющим входом микросистемного коммутатора, а его стимулирующий вход соединен с третьим входом информационно-стимулирующего блока, новым является то, что дополнительно введены система микроэлектродов для восприятия ЭКГ-сигнала, имплантируемых в зону проекции сердца на кожный покров грудной клетки, и последовательно соединенные предусилитель и фильтр ЭКГ-сигнала, выход которого соединен со вторым выходом информационно-стимулирующего блока, связанного со вторым входом модуля обработки и анализа биосигналов, являющегося вторым входом блока оценки и управления, содержащего генератор импульсов, выход которого подключен к третьему входу модуля обработки и анализа биосигналов, причем вход предусилителя ЭКГ-сигнала, являющийся четвертым входом информационно-стимулирующего блока, соединен с выходом системы микроэлектродов для восприятия ЭКГ-сигнала.
Модуль обработки и анализа биосигналов дополнительно содержит преобразователь частота-код, вход которого соединен со вторым входом модуля обработки и анализа биосигналов, задатчик нормы частоты сердечных сокращений и блок сравнения ЭКГ-канала, входами которого являются выходы преобразователя частота-код и задатчика нормы частоты сердечных сокращений, при этом выход блока сравнения ЭКГ-канала соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом кворум-элемента, а его третий вход, являющийся третьим входом модуля обработки и анализа биосигналов, подсоединен к выходу генератора импульсов, причем выход элемента ИЛИ соединен с первым выходом модуля обработки и анализа биосигналов, подключенного к входу приемопредатчика и электронейростимулятора, выход которого соединен через второй выход блока оценки и управления с третьим входом информационно-стимулирующего блока, являющимся стимулирующим входом микросистемного коммутатора.
Устройство обнаружения и подавления эпилептиформной активности дополнительно содержит блок принудительного включения коррекции, находящийся в неэлектрической связи с генератором импульсов.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где фиг. 1 - структурная схема устройства обнаружения и подавления эпилептиформной активности, фиг. 2 - модуль обработки и анализа биосигналов.
Здесь:
1 - система микроэлектродов; 2 - информационно-стимулирующий блок; 3 - предусилитель ЭЭГ-сигнала; 4 - фильтр ЭЭГ-сигнала; 5 - модуль обработки и анализа биосигналов; 6 - электронейростимулятор; 7 - микросистемный коммутатор; 8 - приемопередатчик; 9 - блок питания; 10 - блок врача; 11 - аналого-цифровой преобразователь; 12 - цифровой фильтр; 13 - блок сегментации ЭЭГ-сигнала; 14 - блок выделения биоритма ЭЭГ-сигнала; 15 - блок оценки симптоматических признаков ЭЭГ-сигнала; 16 - блок задания констант; 17 - блок сравнения ЭЭГ-сигнала; 18 - кворум-элемент; 19 - блок оценки и управления; 20 - система электродов для восприятия ЭКГ-сигнала; 21 - предусилитель ЭКГ-сигнала; 22 - фильтр ЭКГ-сигнала; 23 - преобразователь частота-код ЭКГ-канала; 24 - задатчик нормы частоты сердечных сокращений; 25 - блок сравнения ЭКГ-канала; 26 - элемент ИЛИ; 27 - импульсный генератор; 28 - блок принудительного включения коррекции.
Устройство обнаружения и подавления эпилептиформной активности содержит систему микроэлектродов 1, имплантируемых в зону очага эпилептиформной активности, систему электродов для восприятия ЭКГ-сигнала 20, имплантируемых в зону проекции сердца на кожный покров грудной клетки, информационно-стимулирующий блок 2 и блок оценки и управления 19, имплантируемые в подключичной области и связанные телеметрическим каналом с блоком врача 10, и блок питания 9.
Информационно-стимулирующий блок 2 состоит из микросистемного коммутатора 7, предусилителя ЭЭГ-сигнала 3, фильтра ЭЭГ-сигнала 4, предусилителя ЭКГ-сигнала 21 и фильтра ЭКГ-сигнала 22. Первый вход информационно-стимулирующего блока 2, являющийся информационными входами микросистемного коммутатора 7, соединен с выходом системы микроэлектродов 1, а его первый выход, являющийся выходом фильтра ЭЭГ-сигнала 4, соединенного через предусилитель ЭЭГ-сигнала 3 с выходами микросистемного коммутатора 7, подключен к первому входу блока оценки и управления 19. Второй и третий вход информационно-стимулирующего блока 2 соединены с первым и вторым выходами блока оценки и управления 19, а четвертый вход информационно-стимулирующего блока 2, являющийся входом предусилителя ЭКГ-сигнала 21, подключен к выходу системы микроэлектродов для восприятия ЭКГ-сигнала 20. Второй выход информационно-стимулирующего блока 2, являющийся выходом фильтра ЭКГ-сигнала 22, соединен со вторым входом блока оценки и управления 19.
Блок оценки и управления 19 включает в себя модуль обработки и анализа биосигналов 5, электронейростимулятор 6, приемопередатчик 8, микроантенну, входящую в канал телеметрической связи с блоком врача 10, и генератор импульсов 27. Первый и второй входы блока оценки и управления 19 являются первым и вторым входами модуля обработки и анализа биосигналов 5, третьим входом которого является выход генератора импульсов 27. Первый выход модуля обработки и анализа биосигналов 5 соединен с приемопередатчиком 8, связанным через телеметрический канал с блоком врача 10, и с входом электронейростимулятора 6, а его второй выход соединен с первым выходом блока оценки и управления 19, второй выход которого соединен с выходом электронейростимулятора 6, подключенного к третьему входу информационно-стимулирующего блока 2, являющегося стимулирующим входом микросистемного коммутатора 7.
Первый вход модуля обработки и анализа биосигналов 5 связан с последовательно соединенными аналогово-цифровым преобразователем 11, цифровым фильтром 12, блоком сегментации ЭЭГ-сигнала 13, блоком выделения биоритма ЭЭГ-сигнала 14, блоком оценки симптоматических признаков ЭЭГ-сигнала 15, выход которого подключен к первому входу блока сравнения ЭЭГ-сигнала 17, второй вход которого подключен к выходу блока задания констант 16, а выход блока сравнения ЭЭГ-сигнала 17 соединен к входу кворум-элементом 18.
Второй вход модуля обработки и анализа биосигналов 5 соединен со входом преобразователя частота-код ЭКГ-канала 23, выход которого соединен с первым входом блока сравнения ЭКГ-канала 25, вторым входом которого является выход задатчика нормы частоты сердечных сокращений 24.
Выход блока сравнения ЭКГ-канала 25 соединен с первым входом элемента ИЛИ 26, второй вход которого соединен с выходом кворум-элемента 18, а его третий вход, являющийся третьим входом модуля обработки и анализа биосигналов 5, подсоединен к выходу генератора импульсов 27, находящийся в неэлектрической связи с блоком принудительного включения коррекции 28.
Основные блоки устройства реализуются следующим образом:
1. Реализуются в соответствии с используемыми в пат. США №20060276866 ΜΠΚ 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, ΜΠΚ A61N 1/36 опубл. 27.10.2006 г. Многоканальный программируемый электронейростимулятор. Гуторко В.А., Бармотин C.B., Петров И.Α., 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 A.M. 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 Α1, ΜΠΚ Α61Ν 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).
9. Калакутский Л.И., Манелис Э.С. Аппаратура и методы клинического мониторинга. - М.: Высшая школа, 2004. - С.158.
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 ЭЭГ-сигнал подается на вход фильтра 4 [5], подавляющего высокочастотные помехи, создаваемые радиотелефонами, а также миографические помехи. Затем ЭЭГ-сигнал поступает на первый вход модуля обработки и анализа биосигналов 5 [6], входящего в состав блока оценки и управления 19, в котором последовательно происходит его аналого-цифровое преобразование 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 α-, β-, θ- и δ-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 α-, β-, θ-, δ-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 θ- и δ-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. Сигнал с кворум-элемента 18 поступает на второй вход элемента ИЛИ 26.
Дополнительно с системы электродов для восприятия ЭКГ-сигнала 20 [9], имплантируемой в зоне проекции сердца на кожный покров грудной клетки, биопотенциалы поступают на вход предусилителя ЭКГ-сигнала 21 [3]. Усиленный сигнал подается на вход фильтра нижних частот 22 [5]. Затем ЭКГ-сигнал поступает на второй вход модуля обработки и анализа биосигналов 5 [6], соединенный с входом преобразователя частота-код 23, где выполняется преобразование частоты сердечных сокращений (ЧСС) в код, при этом в блоке 24 осуществляется задание нормы ЧСС, а сравнение вычисленных значений ЧСС с заданной нормой осуществляется в блоке 25. Сигнал с блока сравнения ЭКГ-канала 25 поступает на первый вход элемента ИЛИ 26, на третий вход которого, являющегося третьим входом модуля обработки и анализа биосигналов 5, поступает сигнал с выхода генератора импульсов 27, находящегося в неэлектрической связи с блоком принудительного включения коррекции 28. При этом блок 28 служит для принудительного включения в работу врачом или пациентом генератора импульсов 27.
В случае поступления на элемент ИЛИ 26 сигнала с кворум-элемента, блока сравнения ЭКГ-канала 25 или генератора импульсов 27 формируется управляющий импульс для включения в работу электронейростимулятора 6, а также управляющий сигнал на микросистемный коммутатор 7 для перевода системы микроэлектродов 1 в режим стимуляции путем подключения их к выходу электронейростимулятора 6.
Вживленная в пациента и расположенная в блоке оценки и управления микроантенна [8] обеспечивает связь, посредством которой осуществляется передача информации на блок врача 10, необходимой для подтверждения выполняемого режима нейростимуляции либо коррекции параметров нейрос-тимулирующих импульсов.
Таким образом, заявленное устройство на основе реализации предложенной структуры и алгоритмов с использованием расширенного и взаимосвязанного потока первичной информации и ее последующей верификации позволяет повысить надежность и достоверность обнаружения и эффективность лечебных воздействий по подавлению эпилептиформной активности в головном мозге пациента.