用於經顱自動刺激的行動裝置和用於控制和調節該設備的方法

2023-04-27 14:12:26

專利名稱：用於經顱自動刺激的行動裝置和用於控制和調節該設備的方法
用於經顱自動刺激的行動裝置和用於控制和調節該設備的
方法 本發明涉及一種用於需求驅動的局部腦結構和腦系統的經顱自動刺激的行動裝置，並且涉及一種用於控制和調節該設備的方法。一種用於移動的需求驅動的局部腦結構和腦系統的自動刺激的設備，應當理解的是表示一種用於經顱電刺激(TES)的設備，可以由任何使用者以自動調整的方式而不依賴於場所將其用於控制行為，並且可以將其用於一種神經刺激的方法中。應當理解的是，作為該醫療技術設備的特殊特徵衍生的結果，特別是關於該設備的安全操作，術語自動刺激是在該設備所刺激的使用者(他/她本身)的範圍內。應當理解的是，局部腦結構表示以它們的總體形成一個功能單元並且控制個體神經認知過程(例如恐懼調節的過程)的腦結構。該局部腦結構不必必需被限定在一個空間意義中，而是可以一種網絡樣方式延伸經過一個相對大的區域，其中深和淺的腦區域是該網絡的一部分。可以考慮用於刺激的是相關網絡的主要淺的區域；這些區域正好位於顱蓋下並且是可以通過經顱刺激達到的。特別是通過神經元的膜電位和放電頻率(firing rate)的靶向變化，腦的經顱神經刺激影響腦結構和腦系統以及在其中進行的神經元過程。所影響的過程主要是在行為調節中的神經認知過程(如注意力的神經調節)、在恐懼調節中的過程、以及目標跟蹤和目標篩選的神經認知過程，其中動作意圖的篩選或放大相對於競爭動作意圖而進行。在非常一般的意義上，在行為調節中的神經認知過程在許多類型的行為中起決定性作用，例如在調整對不同要求的注意力表現中，在有效實現動作意圖、有效調節恐懼或調節其他的情緒狀態時，或在不同的精神障礙(如抑鬱障礙)的情況下。此外，有效的行為控制在物質濫用和依賴、或物質戒斷的情況下也受影響，例如在菸草製品、酒精、藥物、進食行為或強迫性賭博和冒險行為的情況下。已知在腦結構的神經刺激領域中有不同的概念。這些包括深部電刺激、經顱磁刺激(TMS)和經顱電刺激(TES)，特別是經顱直流電刺激(tDCS)和經顱隨機噪聲刺激 (tRNS)。具體而言，以下方法與設備是已知的，其中可以在有創和無創方法之間做出一種區別。在有創方法的情況下，已經披露了在心絞痛的情況下用於外脊膜的神經刺激的一種刺激器，其中該刺激器是操作地應用的。此外，現有技術已經披露了一種用於十二對顱神經之一的迷走神經的刺激器，其中刺激器被用於嚴重抑鬱的病例中並且同樣是操作地應用的(Fiedler， U. & BajBouj, Μ,2007, Neuromodulation durch Vagusnervstimulation bei Depression[Neuromodulationas a result of vagus nerve stimulation in the case of depression]，Journal fiir Neurologie, Neurochirurgie und Psychiatrie[Journal for neurology, neurosurgery and psychiatry],8(4),22-28)0此外，已經披露了在嚴重的、治療抵抗性抑鬱的情況下，通過手術將它們插入腦的深部區域的深部電極。它是主要經顱的磁和電的腦刺激方法，這些方法被稱為用於腦的無創神經刺激方法。在經顱磁刺激(TMS)的情況下，在頭部表面上使用一個磁性線圈來施加一個非常短暫的磁場(具有小於一個毫秒(ms)的持續時間)。該磁場具有大約一至二特斯拉(tesla)的強度。該磁場經過顱骨並且誘導出一個非常短暫的電流。此後在幾立方釐米的一個緻密間隔的(tightly delimited)區域中產生神經元放電。因此，該線圈電流首先被轉換成磁 能然後在這些神經元中轉換成電流。除以上所說明的這種單一脈衝TMS之外，重複TMS (rTMS) 是已知的。在rTMS中，以一個規定的順序施加大量的脈衝。高脈衝頻率增加了皮質興奮性而例如1赫茲的低脈衝頻率抑制了皮質興奮性。在經顱直流電刺激(tDCS)的情況下，經由在頭皮上的兩個大面積電極施加一種微弱的連續直流電。這引起在皮質神經元膜電位方面的一個小的移動以及放電頻率方面的變化，由此它們的興奮性水平受到影響(確切地說，被增加或降低)，取決於該刺激的極性。 在陽極刺激(正極處於細胞體或樹突的近處)的情況下，通過增加的膜電位和放電頻率引起去極化，並且由此增加興奮性。在陰極刺激的情況下，作為降低的膜電位和放電頻率的結果，這些神經元被超極化並且興奮性被降低。在經顱隨機噪聲刺激(tRNS)的情況下，對於一個信號施加一個振動光譜，該信號例如具有ImA電流以及隨機分布例如在0. 1與640Hz之間的頻率(取決於採樣率)。在該過程中，在該頻譜中的所有係數具有相同的量度(「白噪聲」)。這達到一種可以與陽極tDCS 相比較的效果腦的局部區域的興奮性增加了。優點包括更大的來自皮質回電流方向的獨立性。由於作為該振動的結果沒有產生極化，而且有時這致使使用者幾乎不注意到該電流是幾乎不可能的。該所謂的持久興奮性改變對於實際應用是特別令人感興趣的。在重複經顱磁刺激 (rTMS)和經顱電刺激(tDCS，tRNS)的情況下，這些興奮性改變與重複TMS刺激的數目或與電刺激的持續時間成正比。然而，作為後效應或長期效應的一個結果，在該刺激持續時間之後它們被保持一段有限的時間。在與神經元興奮性的改變相關聯的應用的情況下，例如在神經機能障礙的情況下，這導致了經過略微較長時期的影響。在一個大約15分鐘的陽極直流電刺激的情況下，這使得長達兩個小時的興奮性增加是可能的；一個10分鐘的陰極直流電刺激可以誘導出長達一個小時的長期效應。這些後效應的長度取決於在tDCS的情況下所誘導的總電荷並且取決於在rTMS的情況下重複脈衝的數目。在tDCS中所誘導的總電荷來自於在根據以下公式組合時的電流、 電極面積、以及刺激持續時間誘導的總電荷=電流/電極面積X刺激持續時間。在直流電刺激的情況下，可能獲得15分鐘的最大無中斷刺激持續時間；然而，為了安全起見，目前不應當超過這個刺激持續時間。作為結果，在陰極誘導的情況下目前無需脈衝重複可達到的最大作用持續時間是大約一個小時，並且在陽極誘導的情況下它大約是兩個小時；這顯著地限制了該用途。在機能障礙的情況下的用於經顱影響中樞神經系統的設備描述於EP0497933B1 中。具體而言，為了治療癲癇在其中使用了一種磁場用於補償癲癇病灶。所使用的是由低頻(2至7赫茲)、低強度(0. 5至7. 5皮可特斯拉(picotesla))的磁場組成。根據需要，在一個特別的頭帽中的多個電磁體的安排允許這些磁場的局部分配應用。一個發電機控制並且發射用於運轉這些電磁體所需要的能量。
此外，按照現有技術已知的無創刺激器是另外地不利的，這在於不是本領域的一個預先訓練的醫療從業者就不能應用它們，因為在為治療而提供的設備方面，這些各個適當的刺激參數必須由本領域的醫療從業者人工設置。此外，在有創刺激方法的情況下，與手術幹預(surgical intervention)相關聯的這些相當大的負擔和可能的風險是一種顯著的缺點。藉助於一種特殊電極排列的經顱神經刺激的設備披露於US2006/0173510A1中。該無創設備和方法的決定性缺點是要求固定的裝備作為該設備的一部分，因此該應用被束縛在某一位置。如果對於刺激有緊急需要，這隻有在有待刺激的人員在該刺激器的徑直附近時才能完成。如果有待刺激的人員離開該位置離開，只可能使用一種取決於該刺激的後效應(維持不超過兩個小時)。在遠離該刺激器的情況下，該裝備的位置和最大可得效應持續時間(最大後效應)因此也限制了使用者的使用時間和移動範圍。由於遠離該裝備，重複刺激(為了安全起見，在15分鐘後伴隨一個暫停)是不可能的。因此，目前可以獲得的最大效應持續時間對於預計目的是不適合的，因為有必要覆蓋在該使用者覺醒時的這一天的所有部分。根據US6，445，955B1和DE102006053427A1，現有技術披露了用於經皮肌肉刺激的設備，它可以被運送並且在活動中使用。然而，將這種用於經皮神經刺激的裝備設計為這樣，使得肌肉刺激作為物理療法和運動醫學中的一項措施而進行，並且還用於手術或類似操作後恢復肌肉。從一種技術和醫學的觀點來看，這種裝備對於經顱神經刺激是不適合的， 它在性質上對於適當的設備及其對人腦的效應具有顯著不同的要求。本發明的目的在於說明一種用於經顱自動刺激的設備和用於控制並且調節該設備的方法，該設備在技術意義上被設計為這樣，使得(與經皮電刺激不同)在規定目標區中神經元的膜電位以一種有效方式受到影響，而且除了該設備的操作安全性的最高水平之外，還給出該設備的使用者的可移動性。根據該構思，通過一種用於經顱自動刺激的行動裝置實現了該目的，該行動裝置包括以下部件具有用於準確定位在頭皮上的附接裝置的電極和電連接線，以及一個可運送的、小型化的刺激發生器，它具有一個電流發生器、一個控制單元、一個用戶界面、一個電能儲存器、以及一個監測和安全模塊(具有一個分離的電能儲存器)。根據該構思，該刺激發生器的控制單元包含至少一個程序，該程序用於關於在電的、局部解剖學的、以及時間的參數的取值範圍對於在該目標區域中的神經元膜電位的預期變化確定有待由該電流發生器發射的脈衝，其中取值範圍對於目標區域以及對於預期的使用是可容許的並且是必要的。具體而言，五個參數用於這種目的電流、刺激持續時間、電極面積、和電極位置、以及可任選地用於校準電場的電極極性(陽極或陰極)。電荷和電流密度的總量值來自於這些變量。取決於預期的使用，將不同的程序保存在控制單元上這樣使得它們可以被調用，例如在不同臨床症候的情況下這些程序，並且為了這個目的，必須以有效方式經由該參數值的準確測定到達不同的目標部位。該刺激發生器的用戶界面具有用來選擇對於對應的臨床症候的程序的程序選擇按鈕。在其中該行動裝置由醫學外行進行使用的情況下，重要的是他們可以獨立地並且按照他們的需要從這些程序裡面選擇刺激方案。為此，在該用戶界面中提供了功能調用按鈕。該用戶界面是由一個顯示器進行完善 的。該監測和安全模塊在該設備的總構思中具有非常的重要性；所述模塊監測、控制和調節該設備的正確工作方式。該監測和安全模塊裝備有一個分離的電能儲存器以便確保最高可能水平的安全監測。根據本發明的設備的一個具體優點在於這樣的事實可以由使用者(他/她自己)將它作為一個用於需求驅動的自動刺激而無需免除重要的經顱刺激功能的自動刺激而應用；這可以按一種簡單的並且操作上可靠的方式而完成，不依賴於位置以及同時在活動中的大多數的不同應用情形。根據該構思，將該設備設計並且固定這樣使得對於常規使用不要求醫學上預先訓練的人員。與從現有技術已知的其他設備相比這是一個實質性的優點ο該監測和安全模塊的微控制器裝備有一個簡單然而有效的、非常節能的電流源 (current supply)，它具有一個操作電流非依賴性電池以備用為在故障情況下的電流源。 該監測器具保護免於在該程序流方面的故障或在該刺激過程中來自控制算法的誤差，並且免於該控制軟體的崩潰。為此，該監測和安全模塊裝備有一個看門狗系統(watchdog system)，它要求在對應地一個時間單元(例如每IOms)以後來自該程序的一個準確設置信號序列。萬一該信號序列失敗，該監測器具產生一個該控制的重置，並且如有必要，強制該軟體的重新啟動。本發明的一個優選的實施方案在於，用於經顱直流電刺激的應用。在此的電流發生器被實施為一個直流電發生器並且在頭皮上提供了兩個電極。這些神經元的放電率以及由此在目標區域中的活性和興奮性在電流流向的陽極調整的情況下是增加的，並且在電流流向的陰極調整的情況下被抑制。本發明的一個有利的實施方案在於這樣的事實用於由使用者從一個程序中調用一個刺激方案的這些功能調用按鈕或該整個用戶界面被設計為用於該刺激發生器的一個遙控器。作為結果，該設備的使用者由此可以按一個簡單的方式經由該功能調用按鈕實現直接的操作功能。在這種情況下，遙控器具有無線或有線的實施方案，該無線實施方案允許該設備在日常情形中的一種特別不引人注意的應用。有利的是，智慧型電話、行動電話或PDAs 也可以用作一個遙控器，在其上的按鈕被指定作為功能調用按鈕，其中這些儀器具有相應的界面，在該界面上可以運行專門定製的程序。該監測和安全模塊優選地具有一個分離的微控制器，並且在故障的情況下使用一個電容器作為一個分離的能量儲存器用於電池備用的電流源。這些電極通常對應地具有在25和35cm2之間的面積。根據本發明的一個特別有利的發展，這些電極由電極部分區域(具有小於25cm2 的面積)形成的。在此，將多個電極部分區域安排為一個柵格樣方式，其中充當電極的這些區域是通過致動一個或多個電極部分區域而形成的。通過將這些電極部分區域整合進入一個頭帽中而特別是有利地發展了這種實施方案，因為不同的應用選項與一個普通的頭帽連接，該頭帽包含多個電極亞區，在沒有該設備時，與此有關的醫學應用對於局外人而言是看得見的。
將該刺激發生器連接到多個電極部分區域上，將這些區域按一種柵格樣方式安置並且經由連接線使之位於該頭帽中。在這種情況下，該控制單元被這樣設計，使得它依照有待進行的程序僅僅致動用於有待刺激的區域的這些電極部分區域。一個頭帽應當在寬泛的意義上被理解為表示允許整合進入該頭帽中的這些電極的局部準確定位的實施方案。在此，將以一個示例性的方式提及帶結構(bandconstruct)、 帽子(hat)、帽(cap)、和頭盔。一個另外的有利的實施方案在於，將該刺激發生器可替代地整合進入該頭帽中， 或連同這些電極或電極部分區域一起整合進入其中。在這種情況下，該頭帽被方便的設計為一種頭盔樣方式以便確保充分的穩定性。在本發明的這個實施方案中，該用戶界面有利地被安排在一個無線連接的分離的遙控器中，以便能夠操作該刺激發生器而不必移除該頭 帽。除了用於經顱電刺激技術上的先決條件之外，對於該用於經顱電刺激的設備額外有利的是包含一個具有耳機或擴音器的語音模塊，優選地將這個語音模塊整合在該刺激發生器之中，要不就設計成能從該刺激發生器分離，並且在任何情況下與該刺激方案結合。與這些電流電刺激參數相匹配的聲音序列被保存在該刺激方案中並且支持該刺激的應用和效果。這允許來自治療和行為程序的口頭指令與經顱刺激的結合；這允許特別有效地使用該設備。本發明的有利的發展在於，該刺激發生器具有一個附接帶用於將它附接到使用者的身體上，例如附接到上臂、手、或腕、或附接到該使用者的胸部上。該用戶界面與該具有功能調用按鈕的無線遙控器一起被設計成作用於該控制單元，並且與該刺激發生器一起經由這些連接線而連接到這些電極。根據本發明的一個有利的實施方案，該刺激發生器被設計有一個附接帶(實施為一個臂帶)，用於將它附接到使用者的腕上，其中該用戶界面被整合在該刺激發生器之中， 並且後者經由這些連接線連接到這些電極上。可替代地，有利的是為該刺激發生器的控制單元提供了一個至少具有功能調用按鈕的無線遙控器。為了控制並且調節該設備，電極或電極部分區域被有利地設計為用於建立接觸電阻的傳感器，其中來自這些傳感器的信號由該監測和安全模塊進行處理。作為結果，一種治療所要求的最適電極面積可以由該控制單元依靠所選擇的程序進行計算和轉換。因此，關於作為治療類型的功能的電極大小，錯誤操作被排除在外。此外，通過計算所需要的最適電極面積而獲得了該刺激電流遍及該可容許最小總電極面積所需要的強度，考慮在該目標區域中所感興趣的誘導的總電荷的精確集中的接觸電阻的量值。導致本發明的一個實質性的並且出人意外的發現是，經顱刺激的醫學結果反映在該刺激的這些電參數的監測和保護的技術實現上。因為在人類的腦中直接進行一個經顱自動刺激，該刺激以及所使用的這些參數的準確控制和監測是極其重要的。這個發現具有三個方面。首先，該設備必須被設計為這樣使得(1)獲得膜電位的所要求的影響；(2)該使用者他/她自己可以使用該設備而沒有危險；並且使得(3)就其功能性而言該設備具有一個高的安全度。
通過具有控制模塊、以及程序選擇和功能調用按鈕的設備的技術實施方案主要地滿足了該第一和第二方面。第三個方面(在使用過程中的監測和保護)是通過一種用於控制並且調節該設備的方法而實現的，藉助於該方法關於對應地可容許的變量監測該刺激的持續時間和強度。 監測該刺激過程以及所有涉及的部件(例如這些電極電阻)，並且如果必要的話，重置該系統。

該方法包括以下步驟a)通過在用戶界面上的程序選擇按鈕選擇一個程序，b)使用這些功能調用按鈕來選擇和調用一個用於刺激單元的刺激方案，它在為了應用而固定的皮質目標區域中引起神經元的膜電位和放電頻率的變化(就用於所希望和可容許的持續時間的所希望的和可能的強度而言)。c)藉助於該刺激發生器的監測和安全模塊監測並且限制該刺激。在這個系統中，這些參數(電流、電壓、刺激持續時間、電極位置、以及電極面積) 是直接可測量的和可影響的參數，它們互相匹配這樣使得電荷的總量值和最大電流密度不被超過。通過舉例，在電極電阻經過數分鐘或數秒鐘的一段時間內逐漸增加的情況下，在監測期間可以檢測到電極分離。在這種情況下，該刺激電流必須成比例地被減少以便使該電流密度保持恆定並且排除組織損傷(作為過度電流密度的結果)。如果超過規定的極限值，則該系統被關閉。在該電極電阻方面的脈衝變化允許做出這樣的結論，即存在一個線路中斷或接觸不良。這還需要有待拉到其上的注意。因為在脈衝刺激的情況下對於損傷、疼痛和刺激的這些閾值比在直流電的情況下低得多，在短暫中斷的情況下該刺激電流被顯著地減少或關閉。用於該刺激的電荷總量是一個另外衍生的參數。永久地建立該誘導的電荷的總量值是有必要的，以便計算一個具體刺激操作的仍然保留的刺激持續時間並且排除過衝。在根據本發明的方法的一個另外的實施方案中，將這些電極以一個柵格樣方式安置在該頭盔中並且被設計為傳感器來測量接觸電阻；將該測定值報告到該控制單元並且進行處理。為了刺激，按一個柵格樣方式安置的適當數目的多個電極被致動以便獲得所要求的刺激電流強度。總之，作為本發明的背景的醫學構思可以按如下進行說明根據本發明的設備可用來產生刺激方案，其主要特徵在於以下參數脈衝持續時間、脈衝強度、電極面積、和電荷量值、以及還有用於調整電場的電極位置和電極極性。作為結果，某些腦區和神經元迴路以一種有效方式或者被激活或者去活化、或者被抑制，這取決於該應用的目的以及其所基於的神經元過程。通過舉例，這涉及背外側前額葉皮質(DLPC)、腹內側前額葉皮質(vmPC)、顳葉質 (TK)、或腦島。實質性的優點以及由此相關聯的特徵是- 作為一種非常節電的看門狗系統(作為該監測和安全系統的一部分)的結果，一種小型化設計具有一個操作電流非依賴性電池(備用為在故障情況下的電流源)、一個分離的操作單元以及一個特殊的控制器；通過位置獨立性(可移動性)、不受時間和空間限制的靈活使用、以及通過能夠以覆蓋的方式佩戴在身體上而給出其應用優點。- 在該程序運行時，具有不同特徵的用於簡單可靠的電脈衝呼叫的功能調用按鈕， 作為多個有條理地彼此匹配的多個按鈕的結果，其具有簡單的操作性；通過由使用者進行的簡單且安全的應用選擇自動刺激而給出其應用優點，-刺激方案是個體化的且需求驅動的，並且，其中這些各個適當刺激的參數以精確的方式而固定；通過由使用者進行的安全的、個體化的、需求驅動的自動刺激而給出其應用優點，-分離的功能調用按鈕，其作為用戶界面或遙控器的中心功能單元；通過完全不依賴於情境(例如在運轉中)的使用而給出其應用優點；可以將該刺激發生器佩戴隱藏在頭帽中或佩戴在身體上，-致動該電極模式或處於可變方式的電極陣列的能力，並且存在自動阻抗監測；通過電極位置的個體化適應選擇、以及取決於預選程序的增加的有效性和靈活致動而給出其應用優點，一個微型刺激發生器和作為一個功能單元被整合在該頭帽之中的電極陣列。對於經顱直流電刺激，以如下的示例性方式顯示該設備的醫學應用這些大面積電極必須以精確的方式安置以保證到達該目標區域，使得與頭皮接觸。藉助於一個微弱的連續電流(一個直流電脈衝)而產生一個靜電場；將所述電場用來調節神經元在腦中或在目標區域中的活動。這些響應於該電場的神經元在膜電位方面具有一個小的移動並且具有一個改進的放電頻率(firing rate)，這改變了它們的興奮性。在陽極刺激的情況下，靜息電位、放電頻率以及興奮性增加了，並且在陰極刺激的情況下它們降低了。這些抑制或興奮的膜電位在該興奮性方面的移動或改變用於靶向影響局部的 (即空間或功能限制性的)神經元迴路和區域，在這種情況下它們是行為相關的基礎，例如注意力的調節、目標跟蹤和目標篩選、恐懼調節、物質濫用和藥物戒斷、或進食行為。這些迴路的功能活化或抑制過程被誘導或增強，其不正常的活化或抑制過程被抑制或阻斷。作為行為調節過程的基礎的這些神經元迴路可以在位於接近皮質表面的這些區域中被有效地影響。通過舉例，現在對於行為調節過程按如下提出(以一種示例性的方式列出)物質濫用控制酒精消費DLPC的陽極刺激，尼古丁 DLPC的陽極刺激、腦島(下PFC/顳皮質)的陰極刺激，控制進食行為
食慾過盛腦島的陰極刺激，神經性厭食症腦島的陽極刺激，注意力的神經調節DLPC的陽極刺激 ，注意力和工作記憶額下回(IFG)的陽極刺激。應用根據本發明的設備方面的優點在於在行為調節方面提高神經認知過程，例如在物質濫用或物質戒斷(吸菸、酒精、藥物)的情況下以及在進食行為的情況下，以及在控制和遏制恐懼狀態(有效恐懼調節)方面，以及此外，在神經調節注意力方面實現有效行為控制。特別突出顯示的是 可以選擇性激活或抑制神經元過程， 有可能重複該刺激而對於誘導的電荷總量無需限制在極限值以下， 作為該小型化設計和操作電流非依賴性監測和安全系統的結果，有可能在活動中使用它而沒有限制並且不依賴於時間和位置， 作為具有無線電連接的分離的功能調用按鈕的結果，甚至在日常生活期間有可能不依賴於情境而使用它， 嚴格地需求驅動的自動刺激是可能的(專門治療程序的靈活選擇，如注意力的神經調節，目標跟蹤和目標篩選的神經認知過程，在恐懼調節中的過程，在物質依賴或進食障礙的情況下的行為控制，回憶個體定製的刺激方案的能力，電極位置的靈活個體選擇)， 並且 例如，作為能被重複任何多次的刺激的結果，與在使用後效應時相比，可以存在一個更低的劑量。參照相關附圖，本發明的更詳細的資料、特徵和優點從以下示例性的實施方案顯露出來。在附圖中

圖1顯示在經顱直流電刺激情況下的一個電極排列，圖2顯示具有這些電極位置的頭的後部，圖3顯示具有用戶界面、控制單元、以及直流電發生器的電刺激單元的視圖，圖4顯示在使用者的上臂上的電刺激單元的排列，圖5顯示在頭盔中一個帽子裡的電刺激單元連同電極的排列，圖6顯示作為一個遙控器的操作單元，以及圖7顯示該電刺激單元的一個功能示意圖。圖1顯示具有施加的電極3的用於直流電刺激的一個設備的使用者的頭部，這些電極作為陰極和陽極進行切換，並且還有要求將來自該直流電發生器(未展示)的直流電脈衝傳遞到電極3的連接線4。在各種情況下這些電極3的準確定位被設置為這樣使得該電場儘可能準確地到達適合於對應的應用的腦區域。該對應的應用所要求的準確定位可以根據已知的方法使用神經導航器或藉助於多個界標而產生。在該電刺激單元的操作指令中詳細描述了該目標區域的設置，並且由該使用者來進行。與此匹配的是這些刺激方案，這些刺激方案為對應的應用情況而提供，並且代表在控制程序中定義的脈衝特性、電流、以及刺激持續時間，控制程序被儲存在該控制單元中(未展示)。為了安全操作，在一個實施方案(在此未展示)中做出了對於一個頭盔作為一個具有在其中安裝電極3的頭帽的規定，其中將頭盔安置到使用者的頭部上。該頭盔在它的內部具有一個帽子，後者與使用者的頭部適配並且被用來準確地定位這些電極3。在一個有利的實施方案中，該頭盔具有安排在一個柵格中的多個電極部分區域。這些電極3被安置在該頭盔的固定位置中並且連接到該直流電發生器上，這樣使得這些電極部分區域通過脈衝(或者單獨地或者成群地)而致動。為了刺激在腦中的目標區域，該控制單元和保存在其中的程序確定該互相連接如何工作。 此外，一個有利的實施方案包括這些電極或這些電極部分區域(被設計為用於建立接觸電阻的傳感器)，其中它們的這些參數被用於該控制單元，以在變化接觸電阻的情況下計算這些電極部分區域的致動的最優化。然後根據選擇的程序和調用的刺激方案對這些活躍地致動的電極供應電能，並且經由頭皮將這些脈衝(它們由具有某種量度和固定的持續時間的電流形成)傳輸到有關的局部腦區域。在該電極帽中其他的不活動的電極在這個階段中不具有功能，並且在進行不同的程序或另一個刺激方案時在適當之處進行使用。該刺激發生器被整合在該電極帽之中，這樣使得對於這些電連接線存在短的路徑是特別有利的。藉助於一個遙控器操作該刺激發生器，在該遙控器上安排有具有這些功能調用按鈕的用戶界面。圖2顯示了該設備的使用者的頭部的後部，其中安排有這些電極3並且演示了所謂的界標的使用。通過舉例，如果使用界標，在枕外隆凸點7之間的線、在顱骨的下端與頸椎的上端之間的可觸知的軟點、以及鼻根、在鼻子的背部與前額之間的過渡處，被用作一個用於建立這些電極3的定位的起始點，該起始點被固定用於對應的應用。在該展示的實例中，將陰極安排在枕外隆凸點7以上的3. 5cm處，並且將陽極6安排在陰極5的右側4. 5cm處。在這個示例性的實施方案中，視覺系統的刺激是可能的。在所展示的實施方案中這些大面積電極3必須以精確的方式安置以使之與頭皮接觸。然後，在限定的區域中經由一個微弱的連續電流以直流電脈衝的形式誘導皮質細胞的小的膜電位移動。取決於電流的方向，在陰極調整的情況下這種膜電位移動引起神經元放電頻率的增加，或在陰極調整的情況下抑制這些頻率。除了電流方向和電極位置之外，這些激活或去激活過程取決於曝露持續時間、有效電流密度、以及這些神經元相對於電流密度矢量的主要位置。因此這個經顱直流電刺激(tDCS)的效應可以通過這些電參數進行劑量化並且可以通過該電極排列進行定位。該刺激電流在大約0. 001與0. 002安培之間，並且可以按一個陽極或陰極方式使之極化。然而，取決於其他參數，它可以被增加到0. 005安培ο圖3顯示了該刺激發生器16的一個實施方案，該刺激發生器包括直流電發生器、 控制單元以及用戶界面，並且在其上對一個附接帶8做出規定。該附接帶8被設計為一個用於將該刺激發生器16附接到該使用者的前臂的臂帶或作為一個用於將它固定到使用者的身體上的帶子。在該展示的示例性的實施方案中，該刺激發生器16還具有兩個連接器11。 將對於這些電極3的這些連接線4 (在此未展示)經由適當的連接插頭附接到其上，並且將這些電極3連接到該刺激發生器16的直流電發生器上。不需要用於該刺激發生器16的外部操作的遙控器，因為該用戶界面包含這些功能調用按鈕15。那麼，這些功能調用按鈕15可以如同該用戶界面的程序選擇按鈕9 一樣在相同表面上進行操作。在這個實施方案變體中，經由直接在該刺激發生器16上的這些功能調用按鈕15調用這些刺激方案。為了避免該使用者在例如應激情況下的操作誤差，這些程序選擇按鈕另外具有一個由密碼保護的設計。這些刺激程序被激活或應當有多個程序是可供使用的，經由該 用戶界面的這些程序選擇按鈕9選擇所希望的程序。由該設備製造商規定並且預置程序本身的數目以及這些程序的有關特異參數，並且通過通常的編碼方法保護以保證該設備的預期使用免於錯誤的修改。具有高水平的操作舒適度的一個可替代的實施方案(未展示)，它主要適合於在不同日常情況下的秘密使用，包括由外部遙控器(具有功能調用按鈕)構成的使用，用於根據該刺激方案調用這些脈衝特性，這些脈衝特性適合於對應的應用情況並且被設置在該程序中。為了安全性和妨礙操作起見，將遙控信號進行加密這樣使得由另一個遙控器或一個相似信號的影響被排除。將該設備的控制單元整合在該刺激發生器16之中，並且控制該刺激和電流調節器，並且引導該使用方案。然而，該監測和安全模塊的操作是特別節能的、獨立的，並且被設計為在故障情況下不依靠該刺激發生器的能量資源。在經由該外部遙控器或被整合在該刺激發生器之中的用戶界面操作該設備時，該使用者通過按壓這些功能調用按鈕15中的一個而啟動一個刺激，其中各功能調用按鈕15 允許在由該設定程序規定的取值範圍內的不同量的離散誘導的總電荷，並且允許其被調用。此外，有可能從遙控器或該用戶界面調用信息並且使之顯示在顯示器10上。該顯示器10顯示了與該活躍的刺激程序的電流操作作用的視覺檢查有關的信息，並且如果可應用的話，還顯示了另外的參數，如電荷最大量的百分比、治療持續時間、這些脈衝的持續時間、脈衝型式、電池的電荷狀態顯示、等等。圖4示意性地顯示了一個戴有施用的用於經顱隨機噪聲刺激(tRNS)神經刺激設備1的使用者，其中該刺激發生器16被施用於上臂。在這種情況下，使用是由一個遙控器構成的，通過它該程序可以被起動並且該脈衝持續時間和脈衝強度可以經由這些功能調用按鈕進行選擇。為了安全起見，已經用一種本領域的技術人員已知的加密方法對來自該遙控器的信號進行加密，這樣使得由另一個遙控器或一個相似信號的影響被排除。該附接帶8被設計為一個用來將該刺激發生器16附接到該使用者的上臂的臂帶。 使這些電極3位於該使用者的頭部，該使用者處於設定為為了該應用的位置。將該電流發生器整合在該刺激發生器16之中並且通過這些電連接線4將這些電極3連接，作為結果， 來自該電流發生器的刺激電流被傳遞到這些電極3上。使用以上所說明的tRNS致使可能在目標區域中增加皮質興奮性。可以在例如100 與640Hz之間以相對高的頻率(確切地說，通過細胞鈉通道(Na+)的重複和迅速打開)特別好地獲得這種效果。在這種情況下，將該較小的例如具有20cm2的刺激電極安置覆蓋該目標區域並且將該較大的例如具有80cm2的參比電極以一種對側方式進行安置。在電流密度的規定極限值的情況下產生對於電流(ImA)和刺激持續時間(10分鐘)的這些參數，並且由該控制模塊限制並且由該監測和安全模塊進行儲存。tRNS應用在活動中的這些具體的優點是其目標區域(摺疊)的特異性結構的更大的獨立性(與陰極/陽極刺激相比)，以及在這些目標區域(這些Na+通道的多個開口)中的興奮效應的情況下更高的效率。最後， 原則上由於去極化電流似乎是更安全的，有待監測的這些安全方面是危險性更低的。然而， 與tDCS相比的一個局限性在於，tRNS目前僅僅可以有效用於刺激，而較少用於抑制目標區域的活動。

圖5顯示了本發明的一個特別有利的實施方案，其中將該刺激發生器16與這些電極3 —起整合在實施為一個頭盔14的頭帽之中，其中這些電極3被附接到一個帽子上，該帽子屬於該頭盔14並且被套上頭部。已經將這些電極3按附接在該頭盔14的帽子上的慣例進行安置，作為其結果該使用者更容易操作該神經刺激設備1。通過一個遙控器操作該刺激發生器16。通過舉例，將後者附接至使用者的腕上並且或者經由一個連接線4或者無線地連接到在該頭盔14中的刺激發生器16的控制單元上。可以使用一個可編程行動電話、一個PDA或一個智慧型電話作為一個遙控器。在一個有利的發展中(未詳細展示)，該頭盔14具有多個電極部分區域2，將它們全部連接到該刺激發生器16上並且可以被單獨致動。將該頭盔14戴在該使用者的頭上， 它具有安置在其中的電極部分區域2，由於免去了這些電極3在頭皮上的定位而特別適合於該刺激設備1的安全操作。在該優選的實施方案中，將500個電極部分區域2以縱向的 25個電極部分區域2以及橫向的20個電極部分區域2的柵格收容在該頭盔14中，各電極部分區域是具有適當大小的邊長在8與18毫米之間的正方形。作為結果，取決於所選擇的程序，該使用者有可能通過在有待藉助於該刺激發生器16刺激的區域中自動地致動多個電極部分區域2而完全獨立地定位這些電極3。有利的是，不只是該刺激的位置由作為一個總的電極區域的這些致動的電極3的數目和位置來固定，該區域是由電極部分區域2形成的。根據一個優選的發展，在一個位置上致動的這些電極部分區域2的數目進一步被用來對邊界條件如使用者的電極電阻(阻抗)作出反應。如果存在高電極電阻，則通過該刺激發生器16致動比在低電極電阻的情況下更多的電極部分區域2而用於施加所要求的脈衝強度。至少將個體電極部分區域2設計並且連接為傳感器，用於測量該電極電阻，並且將所建立的測定值在該控制單元中進行處理。用於考慮該電極電阻的控制算法與該安全系統相互作用，這已經更詳細地進行了說明。因此，作為這個安排的結果，有可能在每一情況下並且以一種靈活的方式在適合於該應用的目標區域中獲得這些膜電位的預期影響。通過舉例，可以刺激該前額葉皮質用於吸菸者的治療，但是如果有必要，另外地刺激腦島是可能的。一個此外的實例闡明了這個實施方案的優點。例如，如果旨在獲得該目標區域的一個更局灶的刺激，可以通過一種較小的轉換電極區域而獲得一個更高的電流密度，但是這必須通過保持誘導電荷的總量的這些參數進行補償。圖6顯示具有這些功能調用按鈕15和一個顯示器10的遙控器12。通過在這些連接器11的連接線(未展示)將遙控器12連接到該刺激發生器16上。然而，遙控器12優選地被設計為用於該刺激發生器16的無線操作，進而具有一個傳輸單元和一個具有天線13的接收單元，並且還有一個電源。圖7顯示該刺激發生器的控制和調節算法的一個概況。
將該用戶界面用來選擇該程序和該刺激方案，並且將這些經由該控制單元和電流發生器(以及，如果可應用的化，語音模塊)轉換成用於刺激輸出的信號。將這些參數記錄在使用方案中並且傳輸到用於處理來自這些傳感器的信號的監測和安全模塊上。在評價和檢驗這些資料後，經由在該用戶界面中的一個顯示器將它輸出，並且存在著對該刺激發生器的控制單元的反饋。用於該設備的操作構思包括節約一個或多個在該控制單元中具有對應的電的、局部解剖學的和時間的參數的刺激程序，這樣使得所述刺激程序可以被調用。所使用的脈衝標準類型是由電流和電壓這些參數定義的。另外的參數是刺激持續時間、電極面積、用於該目標區域的活動的預計影響的電極位置、電荷的量值、以及電流密度。提供於用於該預期使用的刺激方案中的具有對應特徵的適當的脈衝是在0.001 安培與0. 002安培之間，偶爾還高達0. 005安培，以及至多900秒的一個刺激持續時間。為了安全起見，使該刺激控制和該監測和安全模塊與該用戶界面和遙控器在功能上分離。該控制單元進而直接與該監測和安全模塊相互作用。關於安全風險，該刺激算法概要(rim-through)被連續監測。就由一個程序或硬體故障所引起的量值或持續時間而言這些作為一個過量刺激而存在。此外，存在一個來自有害電湧事件的風險。通過監測該接觸電阻而檢查這些電極的正確位置。因此，該保護系統的作用在一個或多個極限值(如最大電流、最大刺激時間、電荷的總量、以及最大電流密度)被超過之前能夠中斷該刺激。另外，檢查可再充電電池的充電功能，並且後者被保護以免於被過度充電而破壞。使用方案存儲該刺激的進度。使用這個有可能調用關於最後刺激的信息。然而， 這還要求監測時間積分變量。這對於限制用於該刺激的電荷的量特別適用。來自該使用方案的這些報告被傳遞到該用戶界面並且可以從該顯示器上讀出。仍將一個電流調節器轉換到該刺激輸出的上遊並且同樣連接到該使用的方案。根據由使用者所選擇的程序控制該刺激。由一個監測和安全模塊監測該控制，它實現以下功能 該單元監測和限制電流和所引入的功率。這排除了損傷的可能性並且確保該電流低於刺激閾。 這些電極的接觸電阻被監測以排除隨著接觸電阻增加的損傷可能性。增加接觸電阻還可以被追溯到一個部分或整體分離的電極。在這種情況下，在刺激期間該電流密度必須通過額外轉換的另外的適當的電極區域而被限制或使該刺激中斷。 作為一個錯誤操作或一個故障的結果，一個太強烈的刺激是可能的。這種在該組織上的一個過度高的電解負荷的並進運行的可能性必須被排除，如同必須排除作為離子轉運的結果而對組織的損害的可能性一樣。由於這個原因該單元監測並且限制每小時轉移的電荷的量和電荷的總量。 如果一個纜索斷裂或一個電極成為分離時，一個脈衝刺激可以發生。一個脈衝電流具有一種顯著更低的刺激閾並且可能在低電流下已經是引起疼痛的。由於這個原因， 該單元通過使用該控制單元識別一個接觸不良、並且在這種情況下中斷刺激。 該微控制器裝備有一個簡單然而有效的非常節能的監測器具，在故障情況下它具有操作電流非依賴性電池備用，以便在該程序進程期間阻遏誤差或阻遏在該刺激過程中來自該控制算法的偏差，並且阻遏該控制軟體的崩潰。在該監測和安全模塊中的該微控制器裝備有一個看門狗系統，它需要在一個時間單元(例如每IOms)以後的每一情況下來自該程序的一個精確固定的信號序列。如果該信號序列失敗，則該監控器具產生一個該控制的重置，並且如有必要的話，強制該軟體的重新啟動。 如果該控制程序作為一個故障、一個程序設計誤差、或高能量輻射的結果達到一個不明確的狀態，在一個最壞的情況方案中在IOms之後使之中斷，如有必要的話，將它重新啟動。因此，甚至在複雜的控制軟體和惡劣使用條件的情況下排除了處於危險的可能性。 這些安全相關控制功能根據日誌原則進行操作，一個自動使用方案得以保持這樣使得所有刺激過程是可追蹤的。通過舉例，如果該刺激程序提供給一個增加的刺激電流， 則該程序在該日誌中產生一個條目，該條目包含該電流算法程序步驟和電流的增加。最後， 它將該進行的改變附加進入該日誌。該控制軟體的重新啟動因此繼續所有安全相關的功能，無需轉變並且沒有信息的損失。將該電流調節器轉換到該刺激輸出的上遊。 通過密碼手段保護該遙控器，並且使該傳輸器單元在物理學上與其他的控制單元分離。這確保沒有其他的遙控器可以觸發一個刺激。以下是該刺激發生器的另外的技術參數一個移動的經顱刺激發生器，通過可再充電電池提供動力並且通過一個微控制器進行控制大小80 X 60 X 25mm。在該優選的實施方案中，電荷的量在2小時之內限於600mAs。在一個故障或機械破壞的情況下，通過硬體限制該電流，並且微控制器具有一個備用能量供應的分離的操作電流非依賴性電池。監測該接觸電阻以避免損傷並且識別分離的電極。顯示該可再充電電池的電荷狀態，可任選地用一個警報信號。用一個蓄電池充電的使用期長於24小時。即使該電流源失敗，使用方案得以保持。一個遙控器甚至在多數不同類型的自然日常情況中提供給使用者無阻礙的、總是可供使用的自動刺激。作為結果，該使用者的運動自由度是最佳地與不同應用領域的要求相匹配的。參考符號清單1神經刺激設備2電極部分區域，以一種柵格樣方式安排，3 大面積電極4 電連接線5 陰極6 陽極7枕外隆凸點8附接帶
9用於使用方案的程序選擇按鈕、電源按鈕、調用按鈕10該用戶界面或遙控器的顯示器11連接器12作為一個遙控器的操作單元13具有天線的傳輸器/接收器14頭盔15功能調用按鈕16刺激發生器
權利要求
1.一種用於經顱自動刺激的行動裝置，包括多個電極(3)，這些電極帶有用於在頭皮上準確定位的附接裝置以及多條電連接線 (4)，以及一個可運送的、小型化的刺激發生器(16)，該刺激發生器具有一個電流發生器並且具有一個控制單元，其中有可能存入至少一個程序，該程序用於關於電的、局部解剖學的、以及時間的參數的取值範圍來確定有待由該電流發生器發射的脈衝，一個用戶界面，該用戶界面具有一個程序選擇按鈕(9)，用於選擇在該控制單元中儲存的這些程序，一個功能調用按鈕(15)，用於選擇多個刺激方案，和一個顯示器(10)，一個電能儲存器，以及一個監測和安全模塊，用於檢驗和限制電流、刺激持續時間、電極的位置、以及電極的區域，其中該監測和安全模塊具有一個分離的電能儲存器。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，用於由使用者從一個程序中調用一個刺激方案的這些功能調用按鈕(15)或該整個用戶界面被設計為用於該刺激發生器(16)的一個遙控器(12)。
3.如權利要求1或2所述的設備，其特徵在於，該監測和安全模塊具有一個分離的微控制器以及一個電容器，該電容器是作為在故障情況下用於一個電池的備用電流源的一個分離的能量儲存器。
4.如權利要求1至3之一所述的設備，其特徵在於，這些電極(3)是由多個電極部分區域(2)形成的，這些電極部分區域具有小於25cm2的面積，並且其特徵在於，將多個電極部分區域(2)安排為一種柵格樣方式，其中這些電極(3)可以通過啟動一個或多個電極部分區域(2)來形成。
5.如權利要求1至4之一所述的設備，其特徵在於，用於這些電極(3)的該附接裝置被設計為一個頭帽，並且這些電極(3)被整合在該頭帽之中。
6.如權利要求1至5之一所述的設備，其特徵在於，該刺激發生器(16)被整合在該頭帽之中。
7.如權利要求1至6之一所述的設備，其特徵在於，一個語音模塊被提供於該刺激發生器(16)之中或與其分離，通過這個語音模塊可以經耳機輸出通過該刺激方案結合的口頭命令。
8.如權利要求2至5之一所述的設備，其特徵在於，該刺激發生器(16)具有一個附接帶(8)用於將其附接到使用者的上臂、手、或胸部，並且其特徵在於，具有這些功能調用按鈕(15)的遙控器(12)被設計為用於對該刺激發生器(16)的控制單元的無線作用。
9.如權利要求1至8之一所述的設備，其特徵在於，這些電極(3)或這些電極部分區域 (2)被設計為用於建立接觸電阻的多個傳感器。
10.一種用於控制和調節如權利要求1至9之一所述的用於經顱自動刺激的行動裝置的方法，其特徵在於以下這些方法步驟a)通過在該用戶界面上的程序選擇按鈕(9)選擇一個程序，b)通過這些功能調用按鈕(15)選擇一個刺激方案，c)通過該刺激發生器(16)的監測和安全模塊來監測並且限制該刺激，其中使以下參數，即電流、電壓、刺激持續時間、電極位置、以及電極面積彼此相匹配，這樣使得電荷的總量以及最大電流密度不被超過。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，在方法步驟c)中，一個精確設置的信號序列的存在是由該控制單元來核查的並且以一種準連續方式來監測的，並且，若檢出錯誤，則執行該程序的終止或重新啟動。
12.如權利要求10或11所述的方法，其特徵在於，在方法步驟c)中，該接觸電阻是由被設計為多個傳感器的這些電極(3)來測量的，並且將所測定的值報告給該控制單元並進行處理，並且，為了刺激的目的，致動相應數目的以一種柵格樣方式定位的多個電極部分區域，這樣使得為了精確集中而在一個最小的總電極面積上獲得該刺激電流所需要的強度。
13.如權利要求10至12之一所述的方法，其特徵在於，在方法步驟c)中，這些電流的可容許範圍處於0. OOlA與0. 005A之間。
14.如權利要求10至13之一所述的方法，其特徵在於，在方法步驟c)中，該刺激時間的可容許範圍是高達900s。
全文摘要
用於經顱自動刺激的行動裝置以及用於控制和調節該設備的方法。本發明涉及一種用於經顱自動刺激的行動裝置，該行動裝置根據局部腦結構和腦系統的需要進行控制，並且涉及一種用於控制和調節該設備的方法。具體而言，該設備涉及一種用於經顱電流刺激的設備，包括以下部件多個電極，這些電極帶有用於在頭部的皮膚上準確定位的緊固裝置以及多條電連接線；以及一個可運送的小型化的刺激發生器，該刺激發生器包括一個電流發生器、一個控制器、一個用戶界面、一個電能存儲設備、以及一個具有分離的電能存儲設備的監測和安全模塊。
文檔編號A61N2/00GK102245253SQ200980150363
公開日2011年11月16日 申請日期2009年11月20日 優先權日2008年11月21日
發明者B·布羅克 申請人:B·布羅克