[发明专利]用于实时闭环脑刺激的设备及方法

说明书

公开了脑刺激技术，该脑刺激技术利用具有至少一个处理器和存储器以及数字信号处理单元的脑状态监测和刺激部件，该脑状态监测和刺激部件被配置并操作成基于指示治疗对象的至少一个脑状态的数据或信号来预测将在该治疗对象的脑部中发生的至少一个脑状态。数字信号处理单元可以被配置成基于所预测的至少一个脑状态来生成用于调整、调节或触发被施加至治疗对象的脑部的脑刺激信号的刺激数据。在一些实施方式中，至少一个处理器、存储器和数字信号处理单元嵌入在单个硬件设备中。

技术领域

本发明总体上属于脑刺激领域。

背景技术

经颅磁刺激(TMS)疗法可以用于治疗各种精神/心理、神经(CNS)和/或生理障碍。TMS实现方式基于法拉第电磁感应定律，通过该法拉第电磁感应定律，指向对象的特定脑部区域的短暂磁脉冲在脑部组织中引起定向的神经元去极化。当以重复方式进行TMS(这称为rTMS)或以其它脉冲模式进行TMS时，可以获得类似神经可塑性长时程增强作用或类似压制作用。这种技术的可用性正在显著地改变精神病学和神经病学的实践以及对精神疾病的见解。

TMS系统通常遵循开环范例，其中，在整个治疗环节期间使用预编程刺激参数，而不管对象脑部的化学状态/电状态如何。闭环TMS系统依赖于传感器反馈来监测对象脑部的状态，以便相应地调整刺激参数。这种闭环系统可以自动调整所施加的刺激脉冲的持续时间、定时、强度和刺激模式，以实现期望的治疗结果。监测和分析脑部活动需要特征的精确且准确的测量结果(诸如，瞬时相位、幅度和频谱)，以准确地确定刺激参数。因此，闭环脑刺激应用需要强大且快速的处理资源(包括具有非缓冲数据传输以及快速信号分析能力的高时间分辨率采集系统)，目前这会使得实时闭环脑刺激应用不切实际或过于昂贵。

A.Gharabaghi等人(“Coupling brain-machine interfaces with corticalstimulation for brain-state dependent stimulation:enhancing motor cortexexcitability for neurorehabilitation”,人类神经科学前沿，2014)报道了与由机器人手部矫形器提供的触觉反馈组合的脑状态相关刺激(BSDS)的研究，其中运动皮层的TMS以及对手部的触觉反馈在运动想象期间由感觉运动去同步化进行控制，并且应用于脑机接口(BMI)环境内。据报道，在健康对象和中风后对象这两者中，BSDS显著提高了受刺激的运动皮层的兴奋性，这是在非BSDS方案中未观察到的效应。该可行性研究表明，将内在脑状态、皮层刺激和触觉反馈之间的回路闭合为缺乏剩余手部功能的中风患者提供了一种新的神经康复策略，一种使得能够在较大的中风患者群体中进行进一步研究的方案。

C.Zrenner等人(“Real-time EEG-defined excitability states determineefficacy of TMS-induced plasticity in human motor cortex”,脑刺激，2018,11(2):374-389)描述了使用毫秒分辨率实时数字信号处理系统来应用状态相关脑电图触发的经颅磁刺激(EEG-TMS)，以将健康对象中的感觉运动μ律动的EEG阴性峰和阳性峰作为目标。在该研究中，皮质脊髓兴奋性通过手部肌肉中的运动诱发电位幅度来索引。

美国专利公开No.2016/0220836描述了如下设备和方法，该设备和方法用于将脑刺激锁相到脑电图律动，以通过将脑刺激脉冲定时成与在患者头皮处测量的自然发生的脑律动同步发生来提高非侵入式脑刺激设备的准确性、特异性和有效性，以便治疗各种各样的神经病症和精神病症。该设备和方法旨在通过将脑刺激的开始时间锁定到可以通过脑电图(EEG)记录的脑活动的自然发生的律动性振荡的相位来改进非侵入式脑刺激技术。该设备和方法进行特定EEG律动的实时信号分析，提取频域相位信息以估计期望的EEG律动相位的下一次出现，以及触发脑刺激脉冲以便与该预测的EEG相位精确对准。

发明内容