УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ СПИННОГО МОЗГА
DEVICE FOR NONINVASIVE ELECTRIC STIMULATION OF THE SPINAL CORD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к медицине и медицинской технике, а именно к области неврологии, в частности к устройству для неинвазивной стимуляции спинного мозга, предназначенного для проведения диагностических исследований и физиотерапии в условиях лечебных, лечебно-профилактических и научно-исследовательских медицинских учреждений или в домашних условиях.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В Российской Федерации частота повреждений позвоночника составляет 3,5 случая в год на 10 тыс. городского населения и имеет тенденцию к росту вследствие увеличения бытового, автотранспортного, производственного травматизма, техногенных и стихийных катастроф.
Общее число пациентов, которые вследствие позвоночно-спинномозговой травмы становятся инвалидами, составляют более 8000 человек в год. Однако, эта статистика не учитывает значительно более обширные контингенты больных с неврологическими двигательными нарушениями в амбулаторной сфере лечения (спортсмены, пациенты с инфекционными, нейротрофическими, некоторыми психосоматическими заболеваниями, а также пациенты с двигательным дефицитом, возникшим в результате "хирургической агрессии"), также нуждающихся в специализированной двигательной реабилитации.
В восстановительной реабилитации (нейрореабилитации) в последние годы большую эффективность показала электрическая стимуляция спинного мозга. Электрическая стимуляция спинного мозга заключается в проведении прямого (наложение электродов проводится в операционных условиях) электрического воздействия на спинной мозг пациента.
В поясничном утолщении спинного мозга человека и всех млекопитающих находится нейронные сети, которые принимают участие в организации шагательных движений. Эти нейронные сети (генератор шагательного движения) обеспечивают стереотипную ритмическую координированную активность мышц каждой конечности, межконечностную координацию, а также координацию активности мышц конечностей и туловища для передвижения в пространстве. Было показано (М. Dimitrijevic et al. Evidence for a spinal central pattern generator in humans. Ann. N.Y. Acad. Sci., 1998, Nov. 16, 860: p. 360-376), что у пациентов, обездвиженных вследствие травмы спинного мозга на уровне C5-T8 сегментов спинного мозга, располагая стимулирующие электроды на твердой мозговой оболочке дорсальной поверхности спинного мозга под позвонками T10-T12 и стимулируя током с частотой 25-60 Гц и амплитудой 5-9 В, можно вызвать шагоподобные движения. Электрическая стимуляция спинного мозга, направленная на вызов шагоподобных движений ног, дает хороший результат в восстановлении произвольных движений ног и функции поддержки веса тела у пациентов с полным моторным поражением. Было показано (Harkema S. et al. Effect of epidural stimulation of the lumbosacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraplegia: a case study. The Lancet. 2011. T. 377. №9781. C. 1938-1947), что для пациента с полным моторным перерывом спинного мозга на уровне C7-T1 сегментов спинного мозга хроническая эпидуральная электрическая стимуляция через на уровне L1-S1 сегментов спинного мозга с частотой 40 Гц и амплитудой меньше 5-10 В, проводимая одновременно с локомоторными тренировками в течение 7 месяцев после имплантации электродов на поверхность спинного мозга, привела к положительному эффект. Указанная электрическая стимуляция проводилась спустя три года после травмы. После нее пациент был способен самостоятельно стоять в течение 4-25 минут на фоне непрерывной стимуляции спинного мозга. Пациент также мог, лежа на спине, совершать некоторые произвольные движения ногами на фоне непрерывной электрической стимуляции спинного мозга, а именно, сгибать или разгибать в коленном или голеностопном суставах правой или левой ноги.
Известен источник информации, в котором раскрыт способ лечения больных с хроническим поражением спинного мозга (RU 2204423 C2, опубл. 20.05.2003). В указанном способе электрическая стимуляция поясничного утолщения спинного мозга осуществляется с помощью электродов, наложенных на твердую мозговую оболочку спинного мозга, и вызывает движения ног при облегченном положении больного, лежащего на спине или на боку с подвешенными на рамах-качелях ногами. Данный способ лечения больных с хроническим поражением спинного мозга является инвазивными и состоит в наложении стимулирующих электродов на «dura mater» спинного мозга с последующей электрической стимуляцией спинного мозга ниже уровня его поражения. Реализация способа лечения требует оперативного вмешательства для имплантации электродов и специфического медицинского обслуживания на весь период работы стимулирующих электродов для предотвращения воспалительных реакций, отторжения электродов.
Также известен источник информации, в котором раскрыт способ электростимуляции спинного мозга, заключающийся в чрескожном электрическом воздействии на спинной мозг (RU 2471518 C2, опубл. 10.01.2013). Важной особенностью стимуляции является ее безболезненность для человека. Низкочастотный биполярный импульс (5-30 Гц) модулируется высокочастотной составляющей (2,5 кГц и выше), что обеспечивает безболезненность стимуляции. Благодаря использованию электрического импульса специальной формы можно безболезненно подавать токи большой амплитуды, которые эффективно проникают с поверхности кожи в структуры спинного мозга и инициируют непроизвольные шагательные движения у здоровых испытуемых.
Основным преимуществом метода чрескожной стимуляции является возможность проведения электростимуляции с помощью накожных электродов в отличие от прямой электростимуляции, которую проводят с помощью электродов, накладываемых на твердую мозговую оболочку спинного мозга, и которая требует хирургического вмешательства для размещения электродов на поверхности мозга и последующего послеоперационного обеспечения с риском развития любых операционных и послеоперационных побочных осложнений.
Также известен неинвазивный нейромодулятор для облегчения восстановления двигательных, сенсорных, вегетативных, сексуальных, сосудодвигательных и когнитивных функций (WO 2013071307 A1, опубл. 16.05.2013). Устройство состоит из процессора, генератора сигналов, электродов и запоминающего устройства. Устройство генерирует биполярные импульсы с частотой 0.5-100 Гц и амплитудой 0.5-200 мА, импульсы заполнены высокочастотной составляющей с частотой 5 или 10 кГц. Импульсы могут прикладываться накожно параспинально в области шеи, грудного или поясничного отделов позвоночника и могут быть эффективны для лечения многочисленных неврологических заболеваний, вызывающих нарушения движений.
Исследования, проведенные в условиях лаборатории на животных с повреждениями спинного мозга, моделирующими патологию, должны предшествовать применению электрической стимуляции спинного мозга в лечебных мероприятиях, выбор параметров стимуляции должен обосновываться исходя из имеющихся доказательств их эффективности. Лабораторные исследования на животных убедительно показали, что электрическая эпидуральная стимуляция поясничного отдела спинного мозга является неспецифическим активатором генераторов шагательных движений (Courtine G. et al. Transformation of nonfunctional spinal circuits into functional states after the loss of brain input. Nature Neuroscience. 2009. T. 12. №10. C. 1333-1342; и др.). Локусом спинного мозга, оптимальным для вызова локомоции, являются сегменты спинного мозга L2-L4. При электрической эпидуральной стимуляции S1-S2 сегментов спинного мозга у животных не вызываются локомоторные движения, но активируются все мышцы-разгибатели задних конечностей, таким образом, стимуляция S1-S2 сегментов спинного мозга должна быть эффективна для поддержания веса тела, вертикальной стойки. Частота электрической стимуляции 5 Гц является эффективной для вызова движений на целом спинном мозге в отсутствии супраспинальных влияний (Герасименко Ю.П. и др. Особенности формирования локомоторных паттернов у децеребрированной кошки при эпидуральной стимуляции спинного мозга. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, 2003, т. 89 №9 с 1046-1057). Частота ЭССМ 40 Гц эффективна для вызова локомоции и поддержки веса тела при полном перерыве спинного мозга в нижнегрудной области (Ichiyama R.M et al. Hindlimb stepping movements in complete spinal rats induced by epidural spinal cord stimulation. Neuroscience Letters 2005., v. 383., p. 339-344).
Таким образом, для восстановления произвольных движений в полном объеме, не только ритмических движений ног, но и самостоятельной ходьбы с контролем баланса веса тела, необходимо воздействовать на несколько уровней спинного мозга, в то время как вышеуказанные источники информации, раскрывающие способы и устройства для стимуляции спинного мозга, описывают воздействие только на одном уровне спинного мозга в определенном диапазоне частот.
В уровне техники известен нейростимулятор (US 20140180361 A1, опубл. 26.06.2014), позволяющий стимулировать одновременно до четырех групп электродов на спинном мозге. Однако это устройство предназначено для инвазивной стимуляции спинного мозга, когда электроды располагают на твердой мозговой оболочке спинного мозга. Использование этого устройства невозможно без проведения хирургической операции.
Вместе с тем, известен способ накожной электростимуляции спинного мозга, раскрытый в RU 2529471 C2, опубл. 27.09.2014. Способ включает воздействие последовательностью электрических прямоугольных биполярных стимулов в виде меандров с частотой 5-40 Гц, длительностью 0,5 мс и несущей частотой 10 кГц на спинной мозг пациента, размещенного «лежа на боку», с ногами, подвешенными в рамах-качелях, при этом воздействие производят на уровне грудных (T11-T12), шейных (C4-C5) и поясничных (L1-L2) позвонков. В зависимости от сегмента спинного мозга воздействие осуществляют стимулами с амплитудой в диапазоне 40-200 мА. Импульсы в пачке подаваемых стимулов имеют сдвиг по фазе 0,1-0,5 мс. В качестве устройства, реализующего известный способ, используется электростимулятор, содержащий три гальванически развязанных канала стимуляции с электродной системой, подключенных соответственно к блоку управления сигналом, микроконтроллеру, формирователю сигнала, а также к блокам измерения амплитуды и индикации и блоку питания. Известный способ активизирует движения ног больного в тазобедренном, голеностопном и коленном суставах.
Также известен «способ неинвазивной электростимуляции спинного мозга», RU 2545440, опубл. 27.03.2015, в котором воздействие производят на участки спинного мозга, расположенные как непосредственно над позвоночником, между остистыми отростками, так и на участки над корешками спинного мозга, расположенными симметрично справа и слева от позвоночника, при этом стимулы подают на указные участки с заданной очередностью. Для этого используют устройство, которое содержит матрицы в виде электродов, формирователь электрических стимулов, блок управления, микроконтроллер с программным обеспечением, формирователь сигнала, блок измерения амплитуды тока на входе электродов и блок индикации требуемых параметров.
Недостатком неинвазивной стимуляции спинного мозга является допустимая неопределенность в расположении электродов по отношению к сегментам и корешкам спинного мозга, которые необходимо стимулировать.
При современной технологии стимуляции ориентиром при выборе места расположения электродов на коже являются остистые отростки позвонков спинного мозга и ребра. То и другое пальпируется под кожей. Слой подкожной жировой ткани или значительно развитые паравертебральные мышцы могут затруднять точную ориентацию. Кроме того, особенности индивидуального развития, травмы и заболевания приводят к разным отклонениям от нормы в строении и расположении позвоночника и ребер.
Надежным способом определения положения электродов на коже по отношению к спинному мозгу является регистрация рефлекторных мышечных ответов на одиночные импульсы, подаваемые на электрод - ответы в тех или иных мышцах определяют положение стимулирующего электрода с точностью до одного сегмента.
Известен способ (см. Krenn М., Toth A., Danner S.M., Hofstoetter U.S., Minassian K., & Mayr W. (2013). Selectivity of transcutaneous stimulation of lumbar posterior roots at different spinal levels in humans. Biomed Tech, 58, 1), который заключается в чрескожной стимуляции спинного мозга и дорсальных корешков спинного мозга в области Th11-Th12 позвонков с использованием бифазных импульсов тока (2×1 мс) с интенсивностью до 125 мА. Способ позволяет зарегистрировать рефлекторные сокращения мышц ног на каждый импульс, амплитуда и форма которых зависит от места приложения.
Однако, данный способ вызывает рефлекторные ответы мышц ног, но не вызывает движения ног и не обеспечивает управления этими движениями.
Стимулирующий электрод размещают накожно над спинным мозгом. Подают одиночный немодулированный импульс. При определенной интенсивности импульса мышцы начинают сокращаться. Сокращение мышц иногда можно наблюдать визуально.
Для количественной регистрации силы сокращения мышц может быть использован метод поверхностной электромиографии. Каждый сегмент спинного мозга иннервирует ограниченный набор скелетных мышц. Соотношение "сегмент-мышцы" хорошо известно. Если электрод стоит между остистыми отростками позвонков T11 и T12 и при стимуляции в этом месте активно сокращаются mm. vastus lateralis, rectus femoris и в меньшей степени - mm. hamsterimg, tibialis anterior, можно сделать вывод, что под электродом находятся сегменты спинного мозга L2-L3. Соотношение «позвонок-сегмент» спинного мозга может отличаться от нормального из-за особенностей онто- и филогенеза человека. Наконец, позвонки бывает трудно идентифицировать из-за перенесенных травм позвоночника и т.п.
Известно, что для регистрации стандартных рефлекторных ответов в мышцах необходимы одиночные импульсы прямоугольной формы. Такие импульсы не генерирует ни один из известных стимуляторов для чрескожной электрической стимуляции спинного мозга.
Импульсы прямоугольной формы генерируются промышленными стимуляторами, предназначенными для нейроисследований, однако в таком случае для проведения эффективной реабилитационной процедуры, заключающейся в электрической неинвазивной стимуляции спинного мозга, необходимо одно устройство для точного позиционирования электродов и одно устройство для процедуры реабилитации. Кроме того, промышленные стимуляторы генерируют импульсы амплитудой не больше 100 мА. Такой амплитуды тока, как правило, недостаточно, чтобы вызвать рефлекторный ответ в мышцах ног при чрескожной стимуляции спинного мозга из-за дегенеративных процессов, которые происходят в спинном мозге и в мышцах вследствие заболевания или травмы.
Опыт использования устройств для чрескожной стимуляции спинного мозга показал, что максимальная амплитуда тока, на которую они рассчитаны, составляет 200 мА. Стимуляция в таком амплитудном диапазоне достаточно эффективна в экспериментах на здоровых добровольцах и при реабилитации пациентов с легкой травмой или заболеванием спинного мозга, но этой амплитуды тока бывает недостаточно, чтобы вызвать локомоторный ответ на ритмическую стимуляцию у пациентов со значительной и давней травмой или заболеванием спинного мозга. Это связано с большой степенью дегенерации спинного мозга и мышц вследствие травмы или заболевания. Для того, чтобы вызвать локомоторный ответ, надо увеличивать энергию импульсов, либо, увеличивая амплитуду биполярных импульсов, модулированных высокой частотой, либо стимулируя монополярными импульсами, модулированными или не модулированными.
Монополярные импульсы будут безболезненны для таких пациентов вследствие отсутствия у них чувствительности ниже места заболевания или травмы, куда прикладываются импульсы, однако монополярные импульсы оставляют на коже потенциал, который может вызвать ожог.
Таким образом, в уровне технике не известно устройство для неинвазивной стимуляции, совмещающее в себе возможность двухэтапного воздействия для определения локализации стимулирующих электродов одиночными импульсами прямоугольной формы с максимальной амплитудой тока более 200 мА и непосредственно стимуляции спинного мозга модулированными импульсами разной формы одновременно на несколько сегментов спинного мозга и корешки спинного мозга в с возможностью выбора частоты стимуляции и частоты модуляции.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание мультифункционального устройства для неинвазивной стимуляции спинного мозга, генерирующего ритмические биполярные и монополярные импульсы прямоугольной формы, модулированные высокой частотой, а также прямоугольные монополярные немодулированные импульсы прямоугольной формы, с максимальной амплитудой тока 300 мА, не оставляющие на коже потенциал, позволяющее стимулировать спинной мозг по меньшей мере до трех уровней спинного мозга одновременно (шейный, грудной и поясничный уровни), а также стимулировать корешки спинного мозга хотя бы на одном из уровней спинного мозга, а также устройства для исследования функций интактного и больного спинного мозга.
Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении эффективности процесса реабилитации пациентов с патологиями спинного мозга у пациентов с тяжелыми двигательными нарушениями в том числе для восстановления произвольных движений в полном объеме, без хирургического вмешательства для вживления электродов, а также без рисков, связанных с инородным телом, вживленным на поверхности спинного мозга.
Дополнительным техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств, предназначенных для чрескожной стимуляции спинного мозга.
Технический результат достигается тем, что электростимулятор спинного мозга содержит пять каналов стимуляции с электродной системой, каждый из которых включает последовательно соединенные преобразователь напряжения, генератор тока и формирователь выходного сигнала и выполнен с возможностью генерации ритмических модулированных биполярных, ритмических монополярных импульсов прямоугольной формы, ритмических или одиночных немодулированных монополярных импульсов прямоугольной формы, с частотой стимуляции в диапазоне 1-99 Гц, с амплитудой тока от 1 до 300 мА и частотой модуляции от 4 до 10 кГц, входы каждого из которых подключены к микроконтроллеру, который связан с блоком индикации, органами управления и радиомодулем, при этом микроконтроллер выполнен с возможностью запуска по меньшей мере одного канала стимуляции, выбора режима запуска независимо по каждому из каналов стимуляции, управления по каждому из каналов стимуляции параметрами импульсов, выбранными из по меньшей мере формы импульсов, частоты стимуляции с шагом изменения частоты в 1 Гц, частоты модуляции с шагом изменения частоты в 1 кГц, силы тока с шагом изменения 1 мА, длительности импульса с шагом изменения 0,1 мс.ь
Кроме того, микроконтроллер выполнен с возможностью запуска канала стимуляции в зависимости от активности другого канала стимуляции и задания времени задержки и длительности серии импульсов
Кроме того, микроконтроллер выполнен с возможностью выбора режима запуска между однократным режимом с пассивной фазой деполяризации или непрерывным режимом с активным типом фазы деполяризации.
Кроме того, электростимулятор синхронизирован с внешними устройствами, с синхровходом, например, с устройствами для регистрации вызванного двигательного ответа.
Кроме того, электростимулятор дополнительно соединен с компьютером.
Кроме того, запуск по меньшей мере одного канала стимуляции, выбора режима запуска независимо по каждому из каналов стимуляции, управление по каждому из каналов стимуляции параметрами ритмических импульсов осуществляется с помощью компьютера и/или органов управления и блока индикации.
Электростимулятор является инструментом для исследования функций интактного и больного спинного мозга, так как стимулятор обеспечивает разные формы импульсов, позволяет создавать разные сценарии стимуляции, позволяет синхронизировать каждый из каналов с внешней аппаратурой, в том числе, с регистрирующей аппаратурой. Этот технический результат позволяет применять стимулятор в фундаментальных и прикладных научных исследованиях.
Возможность воздействия одновременно на 5 сегментов спинного мозга, или на 3 сегмента спинного мозга и на 2 корешка спинного мозга, или на 1 сегмент спинного мозга и 4 корешка спинного мозга и т.п. с помощью 5 каналов стимуляции позволит восстановить произвольных движений в полном объеме.
Эффективность стимуляции спинного мозга повышается в результате более четкой локализации электродов на сегменты спинного мозга за счет дополнительного первичного воздействия для активации мышц, при этом название активируемых мышц и степень выраженности ответов активируемых мышц являются однозначными признаками локализации электрода относительно сегмента спинного мозга.
Возможность вариации установки режима стимуляции, выбора каналов стимуляции, формы импульсов воздействия, их параметров, в частности, регулировка диапазона амплитуды выходного тока, частоты стимуляции и модулирующей частоты в зависимости от степени пораженности спинного сегмента, позволяют произвести стимуляцию спинного мозга наиболее точно и эффективно, что способствует быстрому и качественному восстановлению функциональных возможностей пациента.
Диапазон амплитуд выходного тока одиночных прямоугольных импульсов больше, чем у известных аналогов, что позволяет вызвать локомоторный ответ на ритмическую стимуляцию у пациентов со значительной и давней травмой или заболеванием спинного мозга.
Все ритмические импульсы предназначены для вызова локомоторного ответа или вызова тонического ответа в мышцах, который необходим для поддержания вертикальной позы. В порядке уменьшения эффективности и уменьшения болевого воздействия они ранжированы следующим образом: монополярные немодулированные, монополярные модулированные, биполярные модулированные.
Свойство стимулятора обеспечивать нулевой потенциал на коже в месте приложения электродов позволяет предотвратить возможный ожог кожи в случае большой амплитуды импульсов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность заявляемого технического решения поясняется графически.
На фиг. 1 представлена блок-схема стимулятора
На фиг. 2 изображен пример расположения электродов на теле человека.
А - вид сзади, Б - вид спереди.
На фиг. 3А-3Д представлены различные формы импульсов, воздействующих на спинной мозг, при этом I - заданный ток, τ - длительность импульса, T - период модуляции импульса.
Фиг. 3А. Смодулированный импульс с активной фазой деполяризации.
Фиг. 3Б. Смодулированный импульс с пассивной фазой деполяризации.
Фиг. 3В. Модулированный однополярный импульс с активной фазой деполяризации.
Фиг. 3Г. Модулированный однополярный импульс с пассивной фазой деполяризации.
Фиг. 3Д. Модулированный биполярный импульс.
На фиг. 4 приведен пример возможного временного распределения пачек импульсов по пяти каналам стимулятора.
На фиг. 5 пример исполнения передней панели стимулятора.
На фиг. 6 приведена оригинальная запись регистрации двигательных ответов, вызванных при чрескожной стимуляции спинного мозга на уровне копчика (позвонок CO) одиночными монополярными немодулированными импульсами интенсивностью 1-50 мА. Испытуемый ДГ.
Поз. 1 - m. tibialis справа.
Поз. 2 - m. gastrocnemius справа.
Поз. 3 - m. biceps справа.
Поз. 4 - m. rectus справа.
Поз. 5 - m. vastus lat. справа.
Поз. 6 - m. vastus lat. слева.
Поз. 7 - m. biceps слева.
Поз. 8 - m. rectus слева.
Поз. 9 - m. tibialis слева.
Поз. 10. - m. gastrocnemius слева.
Поз. 11 - гониометр на колене правой ноги.
Поз. 12. - гониометр на колене левой ноги.
Поз. 13 - отметка 1-ого канала стимулятора.
Поз. 14 - отметка 3-его канала стимулятора.
Поз. 15 - отметка 4-ого канала стимулятора.
На фиг. 7 приведена оригинальная запись регистрации двигательных ответов, вызванных при чрескожной стимуляции спинного мозга на уровне копчика (позвонок CO) непрерывными монополярными модулированными импульсами с частотой 5 Гц и частотой модуляции 10 кГц, интенсивностью 1-45 мА. Испытуемый ДГ. Обозначения те же, что на Фиг. 6.
На фиг. 8 приведена запись регистрации двигательных ответов, вызванных при чрескожной стимуляции спинного мозга на двух уровнях спинного мозга по четырем каналам стимуляции: электроды располагали по средней линии позвоночника между позвонками Th11-Th12 (3-ий канал стимулятора), над позвонком Co (4-ый канал стимулятора), над корешками спинного мозга справа и слева от позвонка Th11 (1-ый и 2-ой каналы стимулятора).
Использован режим биполярной модулированной стимуляции частотой 30 Гц и частотой модуляции 10 кГц по всем каналам. 1-ый и 2-ой каналы стимулятора запускались противофазно, по 1-ому каналу нулевой ток, чтобы менять скважность и задействовать только правую ногу (1 сек стимуляции по 2-ому каналу, потом 3 сек задержки). Ток 15 мА по 2-4 каналам. Испытуемый ДГ. Обозначения те же, что на Фиг. 6.
На фиг. 9-11 приведены таблицы, характеризующие соотношение между заданным и измеренными токами по одному из каналов стимулятора
Табл. 1А. Соотношение между заданным и измеренным током при тестировании 1-ого канала электростимулятора на частотах 10, 30, 99 Гц. Немодулированный монополярный импульс.
Табл. 1Б. Соотношение между заданным и измеренным током при тестировании 1-ого канала электростимулятора на частотах 10, 30, 99 Гц. Модулированный монополярный импульс. Частота модуляции 10 кГц.
Табл. 1В. Соотношение между заданным и измеренным током при тестировании 1-ого канала электростимулятора на частотах 10, 30, 99 Гц. Модулированный биполярный импульс. Частота модуляции 10 кГц.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
1-5. Идентичные каналы стимулятора.
6. Генератор тока.
7. Преобразователь напряжения.
8. Формирователь выходного сигнала.
9. Микроконтроллер.
10. Блок индикации.
11. Клавиатура.
12. Радиомодуль электростимулятора.
13. Блок питания.
14. Аккумуляторная батарея.
15. Электростимулятор.
16. Компьютер.
17. USB-порт компьютера.
18. Радиомодуль компьютера.
19. Пациент.
20-24. Активные электроды, катоды.
25, 26. Пассивные электроды, анод.
27. Кнопка включения.
28. Кнопка аварийного отключения.
29. Панели включения и контроля активности пяти каналов.
30. Кнопка включения канала.
31. Индикатор готовности канала к работе.
32. Двухцветный индикатор активности канала (ток больше 0 мА).
33. Кнопка выбора каналов для настройки работы.
34. Кнопка выбора режима работы выбранного канала.
35. Кнопка выбора частоты импульсации по выбранному каналу.
36. Кнопка выбора длительности импульса по выбранному каналу.
37. Кнопка выбора амплитуды тока по выбранному каналу.
38. Индикация сопротивления под электродом для выбранного канала.
39. Жидкокристаллический алфавитно-цифровой индикатор, светодиодная панель, на котором отображаются выбранные и измеренные значения.
40. Разъем для присоединения к сети 220 В.
41. Кнопка включения заряда аккумуляторных батарей.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электростимулятор (фиг. 1, поз. 15) состоит из пяти идентичных каналов стимуляции (1-5). Каждый из каналов стимуляции содержит последовательно связанные преобразователь напряжения (7), генератор тока (6), формирователь выходного сигнала (8). Каждый из пяти каналов стимуляции соединен с микроконтроллером (9), который связан с блоком индикации, выполненным в виде алфавитно-цифрового дисплея (10), и клавиатурой (11). Микроконтроллер также связан с радиомодулем (12). Электростимулятор содержит блок питания (13) и аккумуляторную батарею (14).
Микроконтроллер выполнен с возможностью запуска по меньшей мере одного канала стимуляции, выбора режима запуска независимо по каждому из каналов стимуляции, управления по каждому из каналов стимуляции параметрами импульсов, выбранными из формы импульсов, частоты стимуляции с шагом изменения частоты в 1 Гц, частоты модуляции с шагом изменения частоты в 1 кГц, силы тока с шагом изменения 1 мА, длительности импульса с шагом изменения 0,1 мс.
В одном из вариантов осуществления электростимулятор может быть соединен с компьютером (16) либо через USB-порт компьютера (17), либо по радиоканалу через радиомодуль компьютера (18).
Каждый из пяти каналов электростимулятора соединен с электродами на теле пациента (19) посредством проводов (Фиг. 2). Электроды выполнены такой геометрией, чтобы они помещались между остистыми отростками или точно над корешками спинного мозга, например круглые диаметром около 2 см.
Активные электроды (катоды) располагают накожно параспинально в области шеи, грудного, поясничного отделов позвоночника или в области копчика и/или паравертебрально в проекции корешков спинного мозга (Фиг. 2; поз. 20-24). Пассивные электроды (аноды) располагают, например, в области живота, над подвздошными костями (25, 26). Пассивные электроды являются общей «землей» для всех активных электродов.
Каждый из каналов электростимулятора генерирует импульсы тока в диапазоне от 1 до 300 мА, с шагом 1 мА. Токи меньше 40 мА могут быть использованы для определения порогов вовлечения мышц, отвечающих на стимуляцию спинного мозга. Использование токов больше 250 мА позволяет вызывать реакцию тех структур и проводящих путей спинного мозга, возбудимость которых понижена вследствие заболевания или травмы и не реагирует на импульсы меньше 250 мА.
Электростимулятор синхронизирован с внешними устройствами с синхровходом, которые могут быть предназначены, например, для регистрации вызванного двигательного ответа.
Импульс может быть одной из следующих 3 форм: прямоугольный немодулированный однополярный (фиг. 3А, 3Б), прямоугольный модулированный однополярный (фиг. 3В, 3Г), прямоугольный модулированный биполярный (фиг. 3Д). Возможность генерации электростимулятором импульсов трех форм позволяет использовать его с разными целями: для исследований проводящих путей спинного мозга у пациентов или в норме (на здоровых добровольцах, для исследований функций спинного мозга в норме), для лечения/реабилитации пациентов с разной степенью поражения спинного мозга.
Для вызова ответов структур, лежащих ниже места стимуляции (исследование), применяют немодулированные однополярные импульсы. В экспериментах для вызова шагоподобных движений при стимуляции спинного мозга у здоровых добровольцев используют модулированные биполярные импульсы, так как они безболезненно переносятся людьми с нормальной чувствительностью. Для вызова шагоподобных движений при стимуляции спинного мозга пациентов с заболеванием/травмой спинного мозга используют непрерывную последовательность модулированных биполярных импульсов, или модулированных монополярных импульсов, или немодулированных монополярных импульсов (выбор формы импульса зависит от возбудимости спинного мозга пациента, от болевой чувствительности пациента и т.п.).
Частота модуляции может быть установлена от 4 до 10 кГц с шагом 1 кГц. Заявляемый электростимулятор, таким образом, может быть использован для исследований влияния частоты модуляции монополярных и биполярных прямоугольных импульсов на характеристики двигательного ответа и т.п.
Частота следования импульсов может быть установлена от 1 до 99 Гц с шагом 1 Гц. Таким образом, электростимулятор может быть использован для исследований влияния частоты монополярных немодулируемых прямоугольных импульсов, монополярных модулируемых прямоугольных импульсов и биполярных модулируемых прямоугольных импульсов на характеристики двигательного ответа и т.п.
Средний ток, выдаваемый заявляемым стимулятором по каждому каналу (постоянная составляющая тока) равен нулю. Поэтому немодулированный импульс и модулированный однополярный импульс имеют деполяризующую фазу тока обратной полярности (деполяризующий «хвост») (фиг. 3А-3Г). Возможны два типа деполяризующей фазы: пассивная или активная. Пассивная фаза характеризуется малым деполяризующим током и большой длительностью деполяризующей фазы: постоянная времени затухания тока равна 2 с (фиг. 3Б, 3Г). Активная деполяризующая фаза характеризуется относительно большим деполяризующим током, возможны значения 1/5 установленного тока для немодулированного импульса и 1/10 установленного тока для модулированного однополярного импульса (фиг. 3А, 3В) и относительно малой длительностью деполяризующей фазы, равной 5 длительностям импульса.
В каждый момент времени активен только один канал. Это значит, что когда по одному каналу идет импульс, на всех других каналах в данную долю милисекунды нет импульса. Это сделано для того, чтобы избежать суммации импульсов, обезопасить пациента от непредсказуемых величин токов.
Возможна одновременная стимуляция по 5-ти каналам.
Время активности канала складывается из длительности импульса и времени активной деполяризующей фазы, если она есть. Таким образом, ограничена суммарная частота работы всех каналов. Суммарное время активного состояния всех каналов в единицу времени не превышает эту единицу. Например, если все 5 каналов выдают модулированные однополярные импульсы длительностью 1 мс с активной деполяризующей фазой и одинаковой частотой следования импульсов, то эта частота не превышает 1000 мс/(6 мс*5 каналов)≈33 Гц.
Управление по каждому из каналов стимуляции (1-5) электростимулятора (15), запуск по меньшей мере одного канала стимуляции (1-5), выбор режима запуска независимо по каждому из каналов стимуляции (1-5) может быть либо только автономным, от органов управления и блока индикации, расположенных на передней панели электростимулятора (15), либо от органов управления на передней панели электростимулятора (15) и от компьютера (16). Во втором случае электростимулятор (15) должен быть подключен к компьютеру (16) либо кабелем USB, либо при помощи радиоканала. Органами управления являются кнопки на панели электростимулятора, с помощью которых можно выбирать канал, которым надо управлять, режим стимуляции, амплитуду импульсов и т.п.
Схематический пример временного распределения пачек импульсов по всем каналам показан на фиг. 4.
Таким образом, электростимулятор в некоторых вариантах осуществления выполнен с возможностью выбора задания параметров - либо автономно, либо удаленно с помощью компьютера.
Возможность управления электростимулятором через компьютер позволяет, во-первых, задавать сложные сценарии стимуляции, что может быть использовано как в исследовании, так и при лечении, во-вторых, сохранять характеристики стимуляции (амплитуды, частоты, порядок включения каналов и т.п.) в памяти компьютера для анализа и дальнейшего использования при лечении и т.п., а также может быть скопирован на другой компьютер, на другое устройство, аналогичное заявляемому, в-третьих, позволяет синхронизировать работу стимулятора с другими стимулирующими, регистрирующими и иными устройствами, которыми управляет компьютер, в четвертых, возможность регулировки части параметров одновременно и на компьютере, и на панели стимулятора обеспечивает удобство работы со стимулятором: стимулятор находится в непосредственной близости от пациента/испытуемого (на расстоянии длины проводов стимулирующих электродов), и находясь рядом с пациентом можно менять параметры стимулирующего тока в зависимости от реакции пациента/испытуемого даже в том случае, когда основное управление электростимулятором ведется от компьютера, который может находиться на значительном расстоянии от электростимулятора, ограниченном длиной USB кабеля или дальностью действия радиоканала.
Заявляемое устройство имеет два режима запуска стимуляции: однократный запуск и непрерывный запуск. При этом режимы каналов выбираются независимо, то есть часть каналов может работать с однократным запуском «от руки», часть - в непрерывном режиме.
В однократных режимах устанавливается пассивный тип фазы деполяризации. В однократных режимах заряд, протекающий за время серии не превышает 1 мКл, т.е. число импульсов серии не превышает определенной величины, зависящей от заданного тока, формы и длительности импульса. Например, при стимуляции модулированными однополярными импульсами 100 мА, длительностью 1 мс, число импульсов в серии не превышает 1000 мкКл/(100 мА*0,5*1 мс)=20 импульсов.
В однократных режимах время между последовательными запусками не меньше 5 с.
При невыполнении этих условий в однократных режимах запуска может происходить ограничение тока стимуляции.
Однократный режим стимуляции может быть использован, например, для регистрации рефлекторной активности мышц на стимуляцию спинного мозга.
При непрерывном запуске устанавливается активный тип фазы деполяризации.
Непрерывный режим стимуляции может быть использован, например, для чрескожной стимуляции спинного мозга.
Любой из каналов может работать в режиме внешнего запуска. В этом случае канал выдает импульсы тока или молчит в зависимости от состояния одного из двух входных логических сигналов:
канал работает при высоком уровне первого синхросигнала и молчит при низком уровне этого сигнала,
канал работает при низком уровне первого синхросигнала и молчит при высоком уровне этого сигнала,
канал работает при высоком уровне второго синхросигнала и молчит при низком уровне этого сигнала,
канал работает при низком уровне второго синхросигнала и молчит при высоком уровне этого сигнала.
Выбор того или иного варианта делается независимо для каждого канала. Разнообразие возможностей запуска стимулятора от разных видов синхросигнала делает каждый из пяти каналов совместимым с практически любым внешним устройством, имеющим синхровход.
Наличие 5 каналов и особенности запуска каналов (от кнопки на панели стимулятора, от компьютера, от другого канала стимулятора, от внешнего устройства по синхроимпульсу) позволяет стимулировать одновременно или последовательно от 1 до 5 уровней спинного мозга, программировать сложные сценарии стимуляции спинного мозга, синхронизировать стимуляцию с работой внешних устройств (регистрирующих или стимулирующих).
Один из вариантов стимуляторов, соответствующих техническому решению устройства представлен на фиг. 5. Внешняя панель стимулятора содержит кнопку включения питания (27), кнопку отключения стимуляции по всем каналам сразу (28), одинаковые панели включения и контроля активности для каждого из пяти каналов (29). Для каждого канала есть кнопка запуска (30), светодиодный индикатор готовности канала к работе, светящийся, когда канал включен (31) и светодиодный двухцветный индикатор тока, светящийся, когда канал выдает импульсы тока. Индикатор горит зеленым цветом, если ток находится в заданных пределах, и красным, если вне заданных пределов (например, при обрыве цепи электродов) (32). Автономное управление стимулятором осуществляется от органов управления и блока индикации, расположенных на приборе. Для настройки работы каждого из каналов номер канала выбирается кнопкой (33), номер канала отображается на панели (39). Режим работы канала выбирается кнопкой (34), перебором буквенных шифров режимов, которые отображаются на панели (39). При автономном способе управления доступны не все режимы запуска, реализуемые прибором. Можно выбрать любую из трех форму импульса и один из двух режимов запуска: непрерывный или однократный с запуском кнопкой 4. Шифр режима состоит из двух символов, первый кодирует тип запуска, второй - форму импульса. Непрерывный запуск кодируется символом «C», одиночный - «1». Немодулированная форма импульса кодируется символом «N», модулированная однополярная - символом «M», модулированная биполярная - символом «B». Частота импульсации, длительность единичного импульса, амплитуда тока по выбранному каналу выставляется кнопками (35, 36, 37 соответственно), выставленные значения отображаются на панели (39). На панели также отображается величина сопротивления под электродом. Для заряда аккумуляторов, встроенных в стимулятор, есть разъем для присоединения к сети 220 В (40) и кнопка включения заряда аккумуляторных батарей (41).
Компьютер выполнен с возможностью независимо для каждого канала задавать силу тока, частоту стимуляции, форму импульса, длительность импульса, режим запуска канала. Компьютер выполнен с возможностью запуска каждого канала в отдельности. В отличие от управления с панели электростимулятора с помощью органов управления и блока индикации, с помощью компьютера можно задавать запуск канала в зависимости от активности другого канала стимулятора (режимы «однократный от канала» и «непрерывный от канала»), выбирая время задержки и длительность серии. Еще одно отличие управления стимулятором через компьютер - для каждого канала рядом с заданным током индексируется измеренный ток.
Соотношение между заданным и измеренными токами по одному из каналов стимулятора приведены на фиг. 9-11 в таблицах 1A-1B). Разница между заданным и измеренным токами, как правило, меньше или равна 2 мА.
Исследования проводились на экспериментальной базе Великолукской государственной академии физической культуры и спорта. К исследованиям было привлечено 7 физически здоровых добровольцев.
Активные электроды располагали накожно по центральной линии позвоночника между остистыми отростками позвонков C4-C5, Th11-Th12, в области копчика (позвонок CO), над правым и левым корешками спинного мозга в области позвонка Th11. В качестве электродов использовали круглые электроды диаметром 2.5 см с адгезивным слоем (Lead-Lok, Sandpoint, США). Каждый электрод был соединен с каналом стимулятора. В качестве пассивных электродов использовали пару прямоугольных электродов размером 5*10 см2 с адгезивным слоем (Ambu, Ballerup, ФРГ). Пассивные электроды размещали накожно в области живота, над подвздошными костями справа и слева. Пассивные электроды были соединены между собой и служили общей «землей» для активных электродов.
Произвольные и непроизвольные шагательные движения выполнялись на установке, описанной B.C. Гурфинкелем и соавт. [Гурфинкель B.C., Левик Ю.С., Казенников О.В., Селионов В.А. «Существует ли генератор шагательных движений у человека?» Физиология человека, т. 24, №3, с. 42-50, 1998]. При горизонтальной вывеске ног снимается функция поддержки веса тела, и при этом обеспечивается возможность независимых движений обеих ног, так как испытуемый лежит на боку, а правая и левая нога находятся в независимых подвесках. В наших исследованиях испытуемые лежали на левом боку, правая (верхняя) нога поддерживалась непосредственно в области голени, а левая (нижняя) нога размещалась на вращающейся шине, прикрепленной к горизонтально ориентированной доске (1155×200 мм, 3 кг), удерживаемой веревками, закрепленными к крюку в потолке (рис. 1). Инструкция предписывала испытуемым не препятствовать и не помогать движениям, вызываемым стимуляцией.
Электромиограммы 10 мышц обеих ног (m. rectus femoris, m. biceps femoris, m. vastus lat., m. tibialis anterior и m. Gastrocnemius) отводили биполярными поверхностными электродами. ЭМГ сигналы регистрировали с помощью телеметрического 16-канального электронейромиографа (ME 6000 MegaWin, Финляндия). Движения ног в коленных суставах регистрировали с помощью гониометров, также входящих в комплектацию ME 6000 MegaWin. На 3 канала этого электронейромиографа подавали отметки от 3-х каналов стимулятора, 1-ый, 3-ий и 4-ый каналы стимулятора. Выбор был обусловлен тем, что 1-ый и 2-ой каналы стимулятора использовали для парной стимуляции корешков спинного мозга, ритм активности 1-ого канала определял ритм активности 2-ого канала, информация об этой связи хранится в протоколе исследования и воспроизводима после окончания исследования. 3-ий канал стимулятора использовали для стимуляции спинного мозга на уровне позвонков Th11-Th12. 4-ый канал стимулятора использовали для стимуляции спинного мозга на уровне Co. 5-ый канал стимулятора использовали для стимуляции на уровне C5, синхросигнал от этого канала не было возможности регистрировать на электронейромиографе, так как последний, 16-ый канал электронейромиографа используется для служебной метки видеосистемы (Qualisys, Швеция), который использовали для регистрации кинематических характеристик движений ног (данные здесь не представлены).
На Фиг. 6 показаны двигательные ответы на стимуляцию Co однократными монополярными немодулированными импульсами длительностью 1 мс. Ток стимуляции в мА, каждая интенсивность повторялась трижды: 1, 10 (испытуемый чувствовал воздействие), 20, 30, 40 (испытуемый чувствовал воздействие, реагировал «не больно»), 50 (испытуемый чувствовал воздействие, реагировал «не больно», наблюдатели видели двигательный ответ мышц ног). Отметки импульсов представлены по 15-му каналу записи (Фиг. 6, Поз. 15). Длительности отметок сделаны больше длительности импульсов для того, чтобы аналогово-цифровой преобразователь не пропустил импульсы при использованной частоте дискриминации 2 кГц. Артефакты раздражения видны на ЭМГ мышц бедра, начиная с 1 мА (Фиг. 6, Поз. 3-8), рефлекторный двигательный ответ виден в мышцах бедра, начиная с 10 мА, мышцы голени (Фиг. 6, Поз. 1, 2, 9, 10) отвечают при силе тока 30 мА и больше.
Таким образом, стимулятор может быть использован для чрескожной стимуляции спинного мозга с целью регистрации рефлекторных ответов мышц.
На Фиг. 7 показаны двигательные ответы на стимуляцию с непрерывными монополярными модулированными импульсами длительностью 1 мс, частота стимуляции 5 Гц, частота модуляции 10 кГц, ток стимуляции нарастал постепенно от 1 до 45 мА. Длительность отметки по 15-му каналу записи (Фиг. 7, Поз. 15) соответствует длительности стимуляции. Все обозначения те же, что и на Фиг. 6. На записях электромиографического сигнала заметно нарастание мышечного ответа при увеличении тока стимуляции (Фиг. 7, Поз. 1-10). Двигательный ответ, движения обеих ног начинаются примерно при интенсивности тока стимуляции 30-40 мА. Это было замечено во время проведения сеанса стимуляции, зафиксировано в протоколе. На оригинальной записи видна активность по каналам гониометров (Фиг. 7, Поз. 11, 12): видно нарастание амплитуды сгибания в коленных суставах обеих ног при увеличении тока стимуляции. Сгибания однонаправленные, с небольшой задержкой, это выглядело как синхронные движения двух ног вперед-назад, это было зафиксировано на видеозаписи и при регистрации кинематики движений (здесь не представлены). После окончания стимуляции на 107 сек записи (Фиг. 7, Поз. 15) видны продолжающиеся затухающие движения обеих ног, видна пачечная электромиографическая активность в мышцах бедер (Фиг. 7, Поз. 4, 6).
Таким образом, стимулятор может быть использован для чрескожной стимуляции спинного мозга с целью вызова непроизвольных движений. В данном примере инициировали синхронные однонаправленные движения обеими ногами.
На Фиг. 8 представлена оригинальная запись регистрации двигательных ответов, вызванных при чрескожной стимуляции спинного мозга на двух уровнях спинного мозга по четырем каналам стимуляции: электроды располагали по средней линии позвоночника между позвонками Th11-Th12 (3-й канал стимулятора, Поз. 14 на Фиг. 8), над позвонком Co (4-й канал стимулятора, Поз. 15 на Фиг. 8), над корешками спинного мозга справа и слева от позвонка Th11 (1-й и 2-й каналы стимулятора). 1-й и 2-й каналы стимулятора запускались противофазно, по 1-му каналу нулевой ток, чтобы менять скважность и задействовать только правую ногу (1 сек стимуляции по 2-му каналу, потом 3 сек задержки, 1-й канал соответствует Поз. 13 на Фиг. 8). Использован режим биполярной модулированной стимуляции частотой 30 Гц и частотой модуляции 10 кГц по всем каналам. Ток 15 мА по 2-4 каналам. Выбрана небольшая интенсивность тока, в 2 раза меньше той, что вызывала непроизвольные движения ног у этого испытуемого. В течение первых трех секунд стимуляции, когда идет стимуляция спинного мозга на уровне Th11-Th12 и Co током недостаточным, чтобы вызвать движение, заметно тоническое напряжение мышц бедер (Фиг. 8, Поз. 4-8), движения ног отсутствуют. На четвертой секунде начинается стимуляция по второму каналу стимуляции, который стимулирует корешок спинного мозга справа, на уровне Тh11 позвонка. Это вызывает шагоподобные движения ног, прежде всего, реагирует правая нога (Фиг. 8, Поз. 11). Через 20 сек от начала стимуляции в ответ на стимуляцию правого корешка спинного мозга развиваются ритмичные шагоподобные движения правой ногой (Фиг. 8, поз. 11), в это время левая нога совершает малоамплитудные неритмичные движения (Фиг. 8, Поз. 12). Через 30 сек от начала стимуляции устанавливаются ритмичные движения правой ногой максимальной амплитуды, появляются эпизоды, когда левая нога совершает шагоподобные движения в противофазе с правой ногой. Движения сохраняются в течение 5 сек после окончания стимуляции.
Таким образом, стимулятор может быть использован для вызова непроизвольных движений ног и для управления этими движениями. В данном примере инициировали сначала шагоподобные движения правой ногой, потом - шагоподобные движения двумя ногами.
Вышеприведенное описание поясняет и никоим образом не ограничивает настоящее изобретение. Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерный вариант осуществления, следует понимать, что пояснения, использованные в данном документе, являются иллюстрационными, а не ограничивающими. Изменения могут быть сделаны в пределах компетенции прилагаемой формулы изобретения. Хотя настоящее изобретение описано в данном документе со ссылкой на конкретные варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничивается частностями, раскрытыми в данном документе; скорее, настоящее изобретение распространяется на все функционально эквивалентные структуры, способы и применения, находящиеся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.