具体实施方式
图1中示出了用于条件化的去同步化的非侵入式刺激的设备100的示意图。设备100由一个控制单元10、第一刺激单元11和第二刺激单元12组成。第一刺激单元11生成第一刺激21且第二刺激单元12生成第二刺激22。第一刺激单元11和第二刺激单元12都是非侵入单元,也就是说,二者在设备100的运行过程中保持在患者身体外面并且不会通过手术植入患者体内。第一和第二刺激21、22可以分别选自光的刺激,声的刺激,触觉刺激,振动刺激和热刺激组成的组。患者可以有意识地感知到第一和/或第二刺激21、22。控制单元10作用为通过控制信号23和24控制两个刺激单元11和12。
事实上可以单独设置设备100的各个组件,特别是控制单元10,第一刺激单元11和第二刺激单元12构造上彼此分离。这样也可以将设备100视为***。
设备100特别可以应用于治疗神经病学疾病和精神病学疾病,例如帕金森氏症、原发性震颤、肌张力障碍、癫痫、多发性硬化症引起的震颤以及其他病理震颤、抑郁症、运动障碍、小脑疾病、强迫症、秽语多动综合症、中风后的功能失调、痉挛、耳鸣、睡眠障碍、精神***症、肠易激综合症、上瘾症、人格障碍、注意力缺陷综合症、注意力缺陷多动症、游戏上瘾、神经衰弱、贪食症、疲劳综合症、纤维肌痛症、偏头痛、丛集性头痛、一般性头痛、神经痛、运动协调障碍、抽搐障碍或高血压,然而,也能治疗其他疾病。
前述病症能由神经连接的生物电的通信障碍引起,这些神经连接在特定的电流回路内连在一起。因此神经群体生成持续不断的病理性的神经活动而且有可能由此生成相关的病理性的连接(网络结构)。其中大量神经形成同步活动电位,即所涉及的神经过度同步地兴奋。此外病态神经群体具有震荡的神经活动,即神经有节奏地发生兴奋。对于神经病学疾病或者精神病学疾病,相关的神经群体的病态的有节奏的活动的平均频率在约1至30Hz的范围内,但也可以在该范围之外。与此相反健康人的神经在质量上以其他形式发生兴奋,例如不相关的兴奋方式。
图1中示出了在其规定运行模式下的设备100。在患者的大脑29或脊髓29中至少一个神经群体30具有前述的病理性的同步的神经活动。第一刺激单元11这样传递第一刺激21给患者,即,第一刺激21根据其形式通过患者的眼睛、耳朵或者皮肤接收,并从那里经过神经***向大脑29和/或脊髓29中的病理性活动的神经群体30传递。第一刺激21是这样设计的,即,其抑制神经群体30的病态的同步活动。抑制同步活动的的是指,神经的同步率降低或者神经群体30变得完全去同步化。由刺激引起的神经同步率的降低可以导致突触重量的降低和生成病态的同步活动的趋势的消失。因为第一刺激21涉及治疗上有效的感官刺激,因此其也可以称为“特异”刺激。
由第二刺激单元12生成的第二刺激22同样可以根据其形式通过患者的眼睛、耳朵或者皮肤和位于更深处的组织接收,并从那里传递至神经***。当单独施用第二刺激22时,即,没有下面描述的在学习阶段的与第一刺激21的共同作用,第二刺激不具有或者几乎没有对于神经群体30的病态的同步神经活动的去同步化或者降低同步率的作用。因此由第二刺激单元12施用的第二刺激22也被称为“非特异”刺激。
在施用光的(即视觉的)或者声的(即听觉的)第一或第二刺激21、22时,该刺激通过患者的至少一个眼睛或者一个耳朵接收。触觉的、振动的和热第一或第二刺激21、22(即触觉刺激、振动刺激和热刺激)通过皮肤内的或者皮肤下的受体接收并向神经***传递。例如Merkel细胞、Ruffini小体、Meissner小体和毛囊受体都是这种受体,这种受体特别作用为触觉刺激21、22的受体。振动刺激21、22旨在深部敏感度。振动刺激21、22可以被肌肤、肌肉、皮下组织和/或患者肌腱内的受体接收。例如,作为振动刺激的受体可以提及Vater-Pacini小体,该Vater-Pacini小体可以传递振动触觉和加速度。热刺激通过皮肤的热受体接收。有热受体(也称热量受体、热感受器或热量感受器)和冷感受器(也称冷量感受器、冷受体或冷量受体)。人类的皮肤中冷感受器多位于表面,热受体则稍深一些。
为了施用第一和第二刺激21、22可以在两种不同的运行模式下运行设备100。每种模式都可以例如预先设定或者通过控制单元10进行选择。对应于所选择的运行模式,控制单元10操控两个刺激单元11和12。
在第一种运行模式,其也被称为学习阶段,非特异的第二刺激与特异的第一刺激21的施用至少部分地在时间上紧密结合地传递给患者,即,在第一种运行模式中,第一和第二刺激21、22至少部分成对地施用。由此患者的神经***受到条件化,也就是说其学会了,即使没有特异的第一刺激21,也会像对特异的第一刺激21(或以稍微减弱的形式)一样地对非特异的第二刺激22作出反应。这将在第二种运行模式中,即真正的刺激阶段中得到利用,在该阶段内第一和第二刺激21、22不是一直成对地施用;而是在这种由第一和第二刺激21、22组成的对之间也单独施用非特异的第二刺激22。由于非特异的第二刺激22通过第一种运行模式(即学习阶段)使患者神经***条件化也达到了治疗效果,所以在第二运行模式中对于特异的第一刺激21的需求就降低了。
对于有效的条件化可以以更长时间地只利用非特异的第二刺激22进行刺激,而不必须向患者施用作用为传递第一刺激21的第一刺激单元11。与第一刺激单元11的区别是,生成非特异的第二刺激22的第二刺激单元12原则上更舒适(参照下面描述的条件化表)。
对于含有特异的光的第一刺激21的视觉刺激要利用例如传输眼镜,其例如在时间上或者局部地遮挡面部区域,这样做对于日常工作特别是驾驶机动车是非常不便利的或者危险的。与此相反,令人愉快的非特异的振动的第二刺激22就比较舒适也比几个小时长的施用特定的音调序列更让人愉快。如果特异的第一刺激21通过多个振动激发器施用,那么携带多个激发器(根据其位置)同样是非常沉的,并且本身就已经影响日常工作了。
通过提高治疗阶段的舒适性可以提高患者对于实施治疗的接受度(compliance)并从而总体提高治疗效果。
图2A和2B以示例图示出了在第一和第二种运行模式下的施用第一和第二刺激21、22的区别。图2A中先后描绘出了第一时间区域Δt1和第二时间区域Δt2相对于时间t的变化,在该时间区域内生成在第一运行模式下的第一刺激21和第二刺激22并且传递给患者。时间区域Δt1和Δt2分别通过矩形示出。由图2A可以看出,在第一种运行模式下,非特异的第二刺激22的生成和施用与特异的第一刺激21的生成和施用相耦合。在学习阶段的时间区域Δt1和Δt2成对地出现。通过成对地施用第一和第二刺激21、22,大脑29和/或脊髓29将条件化,也就是说,通过学习阶段(例如在两个或者多个成对的时间区域Δt1和Δt2后)非特异的第二刺激22(其没有施用额外的特异的第一刺激21)也能像特异的第一刺激21一样达到治疗效果。而在该学习阶段之前,非特异的第二刺激22不能达到治疗效果。
施用特异的第一刺激21的时间区域Δt1例如在30分钟至6小时范围内,但也可以在该范围外。施用非特异的第二刺激22的时间区域Δt2例如在10分钟至6小时范围内,但也可以在该范围外。例如在第一种运行模式下,时间区域Δt1和对应所属的时间区域Δt2重叠。该重叠区域Δt12例如为对应的时间区域Δt2的至少10%或者20%或者30%或者40%或者50%或者60%或者70%或者80%或者至少90%或者甚至100%。彼此对应的时间区域Δt1和Δt2可以如图2A所示的时间区域Δt2先开始,替代性地也可以时间区域Δt1先开始。在彼此相继的由第一和第二刺激21、22组成的对之间有停顿,其长度Δt停顿(Pause)可以例如在3小时至24小时范围内。在一个刺激阶段既可以改变时间区域Δt1和Δt2的长度又可以改变重叠时间区域Δt12和刺激停顿Δt停顿(Pause)的长度。学习阶段的时长,即设备在第一运行模式下运行的时长,可以预先设定并可以例如含有预先设定的成对的时间区域Δt1和Δt2的个数。
下面将阐述在学习阶段的施用第一和第二刺激21、22的例子。根据例子可以在6小时的时间区域Δt1内和6.25小时的时间区域Δt2内施用第一刺激21和第二刺激22,其中时间区域Δt2比时间区域Δt1早15分钟开始所以两个时间区域Δt1和Δt2同时结束。在例如6小时的停顿Δt停顿(Pause)后可以再重复该过程。为了实现神经***快速地学会或者说条件化,可以相对于前述例子进一步提高学习事件(即成对地传送第一和第二刺激)的数量。可以将时间区域Δt1和Δt2减少为3和3.125小时,其中时间区域Δt2比时间区域Δt1早7.5分钟开始。在3小时的停顿Δt停顿(Pause)后可以重新施用耦合的刺激。
在两个由第一和第二刺激21、22彼此耦合的施用之后可能就已经可以达到学习效果了。为了使神经***的条件化设置为尽量稳定并在真正的刺激阶段尽可能长时间地利用该条件化,可以在学习阶段(即第一种运行模式下)成对地施用10至50个刺激。
在学习阶段不一定要使每一个时间区域Δt2对应于时间区域Δt1。例如可以在一定数量的彼此耦合的时间区域Δt1和Δt2之后单独***时间区域Δt1或Δt2,该时间区域Δt1或Δt2没有与时间区域Δt2或Δt1相耦合并且在该时间区域内只生成和施用第一刺激21或者第二刺激22。例如可以在第一运行模式下至少使时间区域Δt2的50%或者60%或者70%或者80%或者90%或者甚至100%与对应的时间区域Δt1耦合。也可以在第一种运行模式下至少使时间区域Δt1的50%或者60%或者70%或者80%或者90%或者甚至100%与对应的时间区域Δt2耦合。
接着在第一运行模式下施用的学习阶段后发生真正的刺激阶段。为此控制单元10调节到第二运行模式。例如在图2B中相继描绘出的时间区域Δt1和Δt2相对于时间t的变换,在第二种运行模式下在时间区域Δt1和Δt2内生成和施用第一刺激21和第二刺激22。
在真正的刺激阶段利用了这样的情况,即,非特异的第二刺激22由于在学习阶段达到的患者的神经***的条件化而具有的治疗作用。为此不同于学习阶段,不再主要施用由第一和第二刺激21和22组成的对,而是只在时间区域Δt2内施用第二刺激22,其不再与第一刺激21耦合。例如在第二种运行模式下,不会至少使时间区域Δt2的10%或者20%或者30%或者40%或者50%或者60%或者70%或者80%或者90%对应于时间区域Δt1,也就是说总体上,在第二种运行模式下的时间区域Δt1的数量少于时间区域Δt2的数量。在第二种运行模式下根据实施例也可以偶尔地***时间区域Δt1,其不与时间区域Δt2耦合。根据另一个实施例也可以设置,在第二种运行模式下整个时间区域Δt2不与时间区域Δt1对应,不施用第一刺激21。
刺激对“P”由特异的和非特异的刺激21、22组成,在第二种运行模式下可以例如以周期序列传送非特异的刺激“U”,例如以如下序列:P-P-U-U-U-P-P-U-U-U-P-P-U-U-U-…根据该时间模式单独出现非特异的第二刺激22,该时间模式也可以是确定性的或随机的或确定-随机混合的,例如可以选择下面的序列:P-P-U-U-U-P-P-U-U-U-U-U-P-P-U-U-U-P-P-U-U-P-P-U-U-U-U-U-P-P-U-U-U-…
对于含有第一和第二刺激21、22的刺激对“P”的施用,根据一个实施例的第一和第二刺激21、22为不同形式,即,例如第一刺激21为声的刺激而第二刺激22为振动刺激。根据另一个实施例的作为刺激对“P”施用的第一和第二刺激21、22具有相同的形式。
由设备100达到的刺激效果可以例如借助测量单元控制。含有这种测量单元15的设备300示于图3中。设备300的其他组件与图1中的设备100的一样。测量单元15接收一个或者多个患者身上测量到的测量信号,将其转换成电学信号26并传递到控制单元10。特别地可以借助测量单元15测量到在刺激目标区域,即,例如在图3示出的神经群体30内的神经活动或者与神经群体30相连接的区域内的神经活动。
测量单元15可以以一个或多个传感器的形式植入患者身体内。例如脑深部电极、硬膜下脑电极或硬膜外脑电极、皮下脑电图-电极和硬膜下或硬膜外脊髓电极可以作为侵入式传感器。另外固定在外周神经上的电极可以作为传感器。
可以持续地接收测量信号25,或者在传递特异的第一刺激21的停顿期,特别是也可以在只传递非特异的第二刺激22的过程中或之后接收测量信号25。如果测量到目标群体30的神经活动,可以获知在本地场电位的典型频率区域内的病态振动的幅度,例如运动不能的帕金森患者在Bet a-频率范围内的积分功率在10至30Hz之间。有效的刺激使该幅度降低。在第二种运行模式下的单独施用的非特异的第二刺激22的刺激效果降低,测量到的幅度高于预先设定的阈值,于是进行第一运行模式下的另一学习阶段。然后可以再次施用第二种运行模式的真正的刺激。
阈值可以由医生针对每个病人单独设置。或者可以选择一个典型值作为阈值的预设定,例如幅度的平均值加上两倍不算频率峰值的频谱区域的标准偏差,并且高于例如70Hz。
作为侵入式传感器的替代或者补充,可以设置一个或者多个非侵入式的传感器。只应用非侵入式传感器的优势在于,这种情况下不必须要将设备的组成部分植入。非侵入式传感器例如脑电图(EEG)-电极,脑磁图(MEG)-传感器,肌电图(EMG)-电极。此外可以通过加速计测量震颤-频率区域内的病态的振荡活动或者运动缺乏(具有减少整体运动的意义)。当超过一个预先给定的震颤活动值或者低于每个小时活动的临界值(夜间除外),那么例如下一个在第一运行模式下的学习阶段开始。
根据一个实施方式,应用两个阈值来调节两个运行模式。例如可以预先设定两个阈值AL和AS,将测量单元15测到的症状的幅度与该阈值比较。阈值AL可以大于阈值AS,并且代表两个阈值的较粗略值。当症状的幅度大于阈值AL,那么就将第二运行模式调整为第一运行模式并且实施一个新的学习阶段。
当在第二运行模式下,症状的幅度大于较小阈值AS,那么不会调整为第一运行模式,而是设备300保持在真正的刺激阶段,然而施用更多的由特异的第一刺激21和非特异的第二刺激22组成的刺激对“P”。为此可以跳过一个只有非特异的第二刺激22的序列(-U-U-U-U-U-)并跳到下一阶段的序列,具有特异的和非特异的刺激21、22的刺激对“P”。如果在第二运行模式下设定,一定比例的第二刺激22与第一刺激21共同施用,那么该刺激对“P”的该百分比可以在超过阈值AS时提高一定的百分数。例如假设,在第二运行模式下30%的第二刺激22作为刺激对“P”与第一刺激21共同施用。当超过阈值AS时,可以将该比例例如提高20%达到50%。只要症状的幅度测量值再次低于另外给出的阈值,可以再次调整回第二运行模式下的例如之前设定的30%。
作为测量值,其幅度与阈值AL和AS进行比较,可以由侵入式传感器测到的神经群体30的Beta带-活动得出。对于非侵入式传感器,可以将例如由加速计测到的震颤活动的平均幅度作为测量值。
此外可以将由加速计测到的患者的运动作为比较值。在这种情况下,较粗略的阈值AL反而小于阈值AS。当患者的平均运动幅度低于较小阈值AS时,在第二运行模式下更多地施用由特异的第一刺激21和非特异的第二刺激22组成的刺激对“P”。当平均运动幅度低于阈值AL时,将第二运行模式调为第一运行模式并且执行新的学习阶段。这种治疗可以特别地针对运动不能的帕金森患者进行。
从第二到第一运行模式的过渡也可以通过一个外设的患者控制设备由患者进行调节。也就是说,当患者感觉治疗效果不够时,或者例如其震颤太强烈或者其太过静止不动时,患者可以按下小型轻便外设的一个按键。根据预先设定的形式,控制单元10将第二运行模式调到第一运行模式,进入新的学习阶段。此处的预先设定的形式的意思是,该调为第一运行模式的转换例如通过患者首先按下按键而触发。设备100和300也可以由医生这样设置,即在预先设定的时间间隔内只在几个这样的按键操作后,例如每半个小时3次按键操作后,才会进行调为第一运行模式的转换。此外也可以在该实施形式设置两个阈值AL和AS。当患者在预先设定的时间区域内按下按键的次数超过第二运行模式下的精确阈值AS,更多地施用由特异的第一刺激21和非特异的第二刺激22组成的刺激对“P”。当按下按键的次数超过阈值AS,转换到学习阶段。
为了控制治疗,设备100和300记录下按下按键的数目和时间点。医生可以借助一个为医生设置的外设的控制设备读取该信息。
还可以设置,在第二运行模式运行了预定的时间段后转换至第一运行模式,即学习阶段。这种转换模式不必须要借助测量单元15的治疗控制,也就是说,这种转换模式既可以实施在设备100上也可以实施在设备300上。
为了生成非特异的第二刺激22,第二刺激单元12可以具有例如扬声器、光源(图象信号源)、振动器和/或热部件。通常第二刺激22应该足够强,从而使其可以被患者有意识地感受到。第二刺激应该既不是令人不适地过强也不是令人感觉到被打扰或者甚至分散注意力。例如在时间区域Δt2内由扬声器生成的电话的嗡嗡声、哼鸣声或者乐曲可以作为声的第二刺激22。当使用光的信号作为第二刺激22时,其可以是抽象的或者具体的图案,其在时间区域Δt2内或者是静态的或者是随时间变化的,例如风中移动的花朵、水中游泳的鱼、飞着的鸟、升起的太阳,等等。触觉和振动的第二刺激22可以使患者可感知的频率的振动,其在时间区域Δt2内由机械振动器生成。可感知的振动刺激可以具有10至160Hz范围的频率或者在该范围之上,而触觉刺激具有远远低于该值的频率,例如小于1Hz。也可以使用触觉刺激和振动刺激的混合形式。触觉和振动的第二刺激22可以例如患者自行选择为舒适的。借助振动器可以进一步地在时间区域Δt2内向患者皮肤施加一个轻的、舒适的按摩作用。作为热的第二刺激22可以应用热刺激或冷刺激。即使冷刺激具有更好的时间分辨率(然而其在非特异的刺激不是必须的),还是优选热刺激,因为患者对于冷刺激感觉不是舒适的(除了在盛夏)。
非特异的第二刺激22可以在每个时间区域Δt2内从始至终连续地传递给患者。替代性地也可以在时间区域Δt2内进行停顿,例如可以时间区域Δt2内的特定时间区段传递之间含有停顿的第二刺激22。该时间模板也可以进行变化,例如随机或确定性的或随机-确定混合的。可以设置,在每一个时间区域Δt2的至少60%或者70%或者80%或者90%时长内施用第二刺激22。
光的、声的的、触觉的、振动的和/或热刺激应用作为特异的第一刺激21,其具有去同步化的作用效果或者至少引起病态神经的同步率的降低。下面将阐述,有可能借助刺激单元11对大脑29或脊髓29的不同区域分开进行刺激,具体方式为施用的第一刺激21通过神经通路传递到大脑29和/或脊髓29的不同目标区域。在刺激时间区域Δt1内可以通过也许不同的和/或时间错置的第一刺激21对目标区域进行刺激。
根据一个设计方案将第一刺激21传递到具有病态的同步和振荡活动的神经群体30,该第一刺激引起神经群体30内的被刺激的神经的神经活动相位复位,即所谓的重置。通过复位将被刺激的神经的相位设置到某个相位值,例如0°,而与当前的相位值无关。由此通过有目的的刺激控制病态的神经群体30的神经活动的相位。因为还可能,在病态的神经群体30的不同位置刺激该神经群体,因此可以在不同的时间点复位不同刺激位置的病态的神经群体30的神经活动的相位。由此最终原本神经是同步的并且以相同的频率和相位活动的病态的神经群体30***成若干个亚群体,其示于图3中并且以图标31、32、33和34标记出(此处示意性地示出4个亚群体)。在亚群体31至34的其中一个中,在相位复位后的神经继续同步并以同样的病态的频率兴奋,但是每个亚群体31至34都鉴于其神经活动而具有相位,该相位是通过刺激强加于这些亚群体的。这意味着,在相位复位后的每个亚群体31至34中的神经活动继续具有同样的病态的频率的大概为正弦波的波形,但是具有不同的相位。
由神经间的病态的相互作用决定了由刺激生成的具有至少两个亚群体的状态不稳定,整个神经群体迅速接近一个完全去同步化的状态,在该状态内神经不相关的发生兴奋。预期的状态,即完全去同步化的状态,由此在第一刺激21的施用后不是马上存在,而是通常出现在几个周期内或甚至少于一个病态活动的周期内出现。
用于解释刺激成功的理论基于,最终所预期的去同步化通过神经之间的病态地增加的相互作用才达到。因此利用自组织过程,其对病态的同步化负责。自组织过程同样导致,去同步化跟随整个群体30***成具有不同相位的亚群体31至34的过程。与此相反,在没有神经间的病态的增加的相互作用的情况下不能出现去同步化。
此外可以通过借助设备100和300的电刺激实现受到干扰的神经网络的连接的重新组织,由此达到长时间的治疗效果。达到的突触重构对于神经病学的或者精神病学的疾病的有效治疗具有重大意义。
生成非特异刺激的刺激单元:
在图4A、4B和5中示出了生成非特异的第二刺激22的非侵入式的第二刺激单元12的实施例。在图4A和4B示出的实施例中,第二刺激单元12设计成所谓的“条件化表”,病人可以舒适地佩戴它。图4A中示出了前视图,图4B中示出了条件化表的背面图。条件化表12由中间部分40、表带41、搭扣部分42和所属的孔43构成。替代性地也可以使用尼龙搭扣或者其他同样效果的搭扣。中间部分40含有用于生成非特异的声刺激22(例如乐曲或者令人愉快的嗡嗡声)的扬声器44,和用于生成令人愉快的、不刺眼的非特异的光刺激22(例如在风中摆动的花朵或者具有冷暖色调的抽象的光图案)的显示屏45。此外条件化表12可以具有一个或多个振动器46,其生成非特异的触觉和/或振动刺激22。为了生成触觉刺激22可以将振动器运行为频率小于1Hz。特别是在这种情况下振动器46的移动部分这样对齐,以使其更好地实现压力刺激,即振动器46的主运动方向应该指向皮肤里。此外触觉刺激22也可以通过压力激发器或者相对于皮肤较慢地运动的部件(例如可以集成在条件化表12内的)生成。如果要借助振动器46生成振动刺激22,那么可以将振动频率设在10至160Hz或者更高。在这种情况下振动器46的移动部分具有基本上平行于皮肤表面的运动方向。也可以这样运行振动器46,即,使其同时生成触觉和振动刺激22。
根据一个实施形式在条件化表12的背面设置一个热刺激装置,通过其可以将热的第二刺激22传递到患者的皮肤。
条件化表12也可以这样设计,即,它只生成一个感官形式的非特异的刺激22,例如只生成光刺激。条件化表的电供给通过电池和/或太阳能和/或在条件化表12内的机械飞轮进行。
为了控制刺激效果,条件化表12可以额外具有一个加速计,通过其可以测量病态的振荡活动,例如患者的病态的震颤、或者平均活动水平。患者的平均活动水平反映了患者的运动或者运动能力的迟滞和贫乏(运动迟缓,运动功能减退和运动障碍)。
非侵入式的第二刺激单元12的另外一个实施例在图5中示出。此处涉及一个手机形式的刺激零件,其可以放在患者的衬衫兜或者裤子兜内并且通过扬声器47生成非特异的声刺激22。
此外可以设置一个给医生准备的外设的控制设备,控制单元10的参数通过该设备调控特异的刺激单元11和/或非特异的、生理学的刺激单元12。此外可以为患者设置一个外设的控制设备,患者可以借助其关闭刺激仪器或者在由医生设定的狭窄的界限内更改刺激单元11和12的参数。此外为患者提供的控制设备可以具有其他上述功能,当患者感觉治疗效果不够时,或者当他的震颤或者不活动状态过强时,借助该功能患者可以例如通过按下一个按键自行将第二运行模式调整为第一运行模式,即学习阶段。编程设备可以通过无线电与对应的刺激仪器的部件通讯。
生成特异的光刺激的刺激单元:
下面将阐述生成光的第一刺激21的非侵入式的第一刺激单元11的实施例。这种刺激单元可以在德国专利申请No.10 2008 012 669.1(主题为《视觉刺激的设备和方法》)中看到,其已于2008年3月5日向德国专利和商标局提交。德国专利申请No.10 2008 012 669.1披露的全部内容在此并入本申请的公开内容。
下面只阐述生成光的第一刺激21。可以理解,该特异的第一刺激21与非特异的第二刺激22共同组合施用,如上面根据图1至5的描述。
图6示出了具有多个刺激部件的第一刺激单元11的一个实施例。在本实施例中的刺激单元11具有两个刺激部件112和113,二者由控制单元10进行操控。图6中还示出了患者的一个眼睛114。
在第一刺激单元11的运行过程中,刺激部件112和113生成光的第一刺激115和116,其通过一个或者两个眼睛114被患者接收并通过视觉神经传递到大脑的神经群体。控制单元10这样控制刺激部件112和113,时间错置地生成光的第一刺激115和116。
除了时间错置地施用光的第一刺激115和116,也可以以不同的相位或者极性施用。此外也可以考虑混合形式,即光的第一刺激115和116可以是时间错置的并且具有不同的极性。第一刺激单元11可以这样设置,借助该刺激单元只能实施一种前述刺激变化,或者作为替代,第一刺激单元11可以这样设置,借助该刺激单元能实施多种前述刺激变化。
光的第一刺激115和116可以基于光强度或者亮度的变化(即光的强度或者光强的变化),例如可以作为具有变化的光强的脉冲或者一系列脉冲施用。光的第一刺激115和116可以根据第一刺激单元11的设计,作为自然光刺激的光强调制(例如借助均一的或者分部的传输眼镜)、作为自然光刺激额外出现的调制的光的刺激(例如借助部分透光的光学眼镜)、或者作为人工光的亮度刺激(例如借助不透光的光学眼镜)进行传递。当患者通过两只眼睛114接收第一刺激115和116,两只眼睛114相应的光的第一刺激115和116可以相关或者协调。
由刺激单元112、113生成的光的第一刺激115和116这样设计,即,当它被视网膜接收并且通过视神经传递到具有病态同步和振荡活动的神经群体时,它导致神经群体中受刺激神经的神经活动的相位重置。
图7示出了患者的视野范围117。视野范围标明在眼球不活动的情况下眼睛能看到的空间。为了简化,图7中的视野范围117是圆形的。典型的视野范围更为椭圆形状。视野范围的具体大小和形状使随个体波动的并且与年龄相关。
借助极坐标对视野范围117中的点进行描述。图7中视野范围117中刺激单元112、113的空间位置示意性地示出。为了说明,每个刺激单元112、113的点以向量118和119示出。向量118和119在极坐标中通过其长度和与X轴的夹角
和/或
描述。
视野范围117中的不同位置通过晶状体成像在视网膜的不同位置。视网膜的不同位置又通过视神经与大脑中的不同神经相连。这意味着,通过在不同空间位置安放的刺激部件112、113可以相应刺激不同的神经。所以刺激部件112、113和可能还有的其它刺激部件在患者的视野范围117中如此设置,即,由视网膜接收的光的刺激传输到大脑中的不同目标区域。然后可以通过刺激部件112、113刺激病态神经群体的不同亚群体,可以时间错置地重置亚群体的相位,如上面根据图3所描述的。
视野范围的区域与相应大脑区域的对应在发表于Neuron 56第366至383页,2007年10月的B.A.Wandell,S.O.Dumoulin和A.A.Brewer的文章《人类皮层中的视觉区域图》中有所描述。
第一刺激单元11以所谓的“开环”模式运行,其中控制单元10这样调控第一刺激单元11,刺激部件112、113生成前述光的第一刺激115和116。此外,第一刺激单元11可以和控制单元10形成图8所示的“闭环”***。在该实施方案中还设置额外的测量单元15,其提供从患者接收的测量信号并将该信号传送到测量单元10。测量单元15可以是非侵入式或者侵入式传感器(参照上文根据图3所描述的)。
鉴于控制单元10和测量单元15的共同作用可以设想不同的实施方案。如前所述,例如可以通过测量信号在第一运行模式,即学习阶段和第二运行模式,即真正的刺激阶段之间转换。此外,光的第一刺激115、116的参数,例如刺激的强度(幅度)或刺激频率或刺激序列之间的停顿,可以由控制单元10根据病理性的特征的表现进行设置。
另外可以设置,由测量单元15接收的测量信号直接或者也许经过一个或多个处理步骤转化成光的第一刺激并由第一刺激单元11施用。例如测量信号经放大然后也许经过时间延迟和线性和/或非线性的运算步骤的数学运算(例如测量信号的混合)然后作为控制信号输送到刺激部件112、113的控制输入端。运算模式如此选择:即,病态的神经活动受到抑制且随着病态的神经活动的减少刺激信号同样消失或者至少其强度大幅减小。
图9中示出了第一刺激单元11作为传输眼镜的一个实施例,其由下述部分组成:(i)两个具有传输调制的镜片122(每只眼睛一个)的两个镜框部分121,(ii)两个眼镜腿123,借助该眼睛腿眼镜机械固定在患者的耳朵后面,和(iii)操控眼镜的传输调制镜片122的传输的控制单元10。可以用下面的眼镜代替传输眼镜,例如将部分可透光或者不可透光的光学眼镜用作刺激眼镜。可以将电池或存储电池安装在控制单元10内或者与控制单元分开安装在眼镜内部或上面用于电子部件的供电。患者可以借助操控单元124(例如开关按钮和/或旋转开关)开启眼镜。利用旋转开关可以设置最大的刺激强度。除了前面所述的部分还可以设置***体125,其与控制单元10遥测地或者通过连接线相连。在利用连接线进行连接的情况下可以将插头连接器用于连接和断开。
另外可以提供另一个、例如由医生控制的***介(未示出),其遥测地或者通过连接线与控制单元10相连。在利用连接线进行连接的情况下可以将插头连接器用于连接和断开。
此外可以设置一个或多个传感器(例如EEG-电极或者加速计)用于对刺激的结果进行登记和/或记录,并提供给医生用于检查。
图10示出设备1000,其具有如图9中的第一刺激单元11,一个由EEG-电极126构成的测量单元和施用第二非特异刺激的第二刺激单元12。设备1000的所有组成单元(第一和第二刺激单元11、12和测量单元)为非侵入单元,其不必须通过手术方式植入患者体内。EEG-电极126是皮肤表面的,也就是说固定在患者皮肤上面并通过连接线127与控制单元10相连。控制单元10利用EEG-电极126携带的测量信号来调节运行模式。控制单元10可以放大由EEG-电极126测到的电位差并且利用经过可选的线性或非线性处理的信号对传输眼镜的传输调制的镜片122进行操控。作为连接线127的替代可以使EEG-电极126是无线的,即遥测地与控制单元10相连。这样具有优点,即患者不会受到连接线的阻碍并且不受障碍影响。设备1000具有图4A和4B所示的条件化表作为第二刺激单元12。第二非特异刺激也可以通过其他设计的第二刺激单元12生成。
图11中示出了设计为第一刺激单元的带有均质的传输镜片122的传输眼镜。该传输眼镜11还具有用于机械固定在患者头部的眼镜腿123,连接两个传输镜片122的鼻架140,以及镜框部分121,传输镜片122镶嵌其中。传输镜片122是均质的,即没有分成不同的部分。右侧和左侧的传输镜片122可以分别调节,即传输镜片122可以在图6所示的设计意义上作为刺激单元112和113进行应用。通过传输眼镜11可以分别将不同的光的第一刺激对患者的双眼施加刺激。
图12中示出了具有分段的传输镜片的传输眼镜11。传输镜片分成不同的部分,其传输可以分开地进行调节。可以例如径向和/或者圆周形地分段(两种都在图12中示出)。图12示出的分段的传输眼镜11的实施例仅仅是用于理解的举例说明。该分隔部分可以选择其他的分割数量和几何形状。
传输眼镜11的部分相当于图6中示出的刺激部件。图12中示意性地示出了4个分割部分,以141、142、143和144标识出。
下面示例性地通过分割部分141至144进行解释,怎样可以通过将病态的同步的亚群体和振荡的神经群体的相位进行时间错置的重置来达到整个神经群体的去同步化。分割部分141至144这样选择,由其生成的光的第一刺激分别优选地由患者视网膜的某个确定部分接收,刺激从那里传递至大脑的某个确定区域,这样上面所述的病态的神经群体分化成亚群体成为可能。由此形成具有不同相位的亚群体,分割部分141至144的光的第一刺激可以时间错置地生成。与时间错置地生成的刺激具有同样意义的是相位错置生成的刺激,其最终同样导致不同的亚群体的相位的时间错置的复位。
适用于上述目的的刺激方法示于图13中,其例如可以用上述传输眼镜11实施。图13相继描绘出了由分割部分141至144施用的光的第一刺激145相对于时间t的变化。图13所示的实施形式中假设,只有传输眼镜11的分割部分141至144生成光的第一刺激145,即控制单元10只调制这几个分割部分的传输。当然这只是用于理解的例子。在替代实施例中,可以考虑其他分割部分代替分割部分141至144用于生成光的刺激。也可能,如图13只使传输眼镜11的选出的分割部分,或者也可以使全部的分隔部分用于刺激。
图13所示的方法对每个分割部分141至144施用周期性的光的第一刺激145。在该例中刺激145三次施用在每个分割部分141至144。替代性地可以在每个序列内重复刺激145例如1至15次。频率f刺激(stim)=1/T刺激(stim),在每个分割部分141至144的刺激以这样的频率重复,该频率可以在区间1至30Hz内,特别地位于区间5至20Hz内,但也可以取更小或者更大的值。光的刺激的这种序列适用于将神经的受到刺激的病态的亚群体的神经相位复位。
频率f刺激(stim)可以例如位于目标网络的病态的有节奏的活动的平均频率的范围内。神经病学的或者精神病学的疾病的平均频率典型地位于区间1至30Hz内,但也可以在该区间外。这里要注意,病态的神经同步兴奋的频率通常不是常数,而是具有完全的变量并且在每个患者身上显示出个体差异。
为了确定频率f刺激(stim)可以确定患者的病态的有节奏的活动的平均峰值频率。该峰值频率可以用作刺激频率f刺激(stim)或者进行变化,例如从f刺激(stim)-3至f刺激(stim)+3Hz的范围内。替代性地也可以不用事先的测量而选择一个在1至30Hz范围内的频率f刺激(stim),并且该频率在刺激过程中进行变化,直到找到频率f刺激(stim),借助其可以达到最佳的刺激效果。另外一个替代形式,可以利用对于每种疾病已知的文献值作为刺激频率f刺激(stim)。该值有可能也进行变化,直至达到最优化的刺激结果。
下面根据第一个由分割部分141生成的刺激阐述单独的光的第一刺激145的结构。此处控制单元10在时间点t1这样操控分割部分141,传递率,即分割部分141的透光性变得最小。控制单元10在时间点t2将分割部分141的传递率调到最大值。换句话说这意味着,分割部分141在受到刺激时不太透光。相应地,患者在分割部分141处于刺激阶段时感受到的环境光线亮度降低。
替代性地也可以,在时间点t1将分割部分141的传递率调到最大而在时间点t2最小,这样分割部分141在刺激过程中透过度变强。
原则上可以考虑,最大传递率选为100%,也就是说在这种情况下环境光线基本没有被各个分割部分减弱。然而这样高的传递率由于技术限制基本达不到,因此可以为最大传递率选择较小的在60%至100%范围之间的值。最小的值可以采纳在0至30%范围的值。但是也还可以通过位于上述范围之外的传递率值达到刺激效果。
光的第一刺激145的持续时间,即时间点t1和t2之间的时间长度可以例如为T刺激(stim)/2。在这种情况下处于刺激阶段的时间长度与接下来的刺激停顿同样长。但也可以选择其他刺激持续时间,例如在区域T刺激(stim)/2-T刺激(stim)/10到T刺激(stim)/2+T刺激(stim)/10内。其他的刺激持续时间也是可能的,可以例如通过实验确定。
根据图13所示的设计方案实现了将光的第一刺激145通过传输眼镜11的各个分割部分141至144在各个分割部分141至144之间以时间延迟的方式进行施用。例如刺激145时间上彼此相继地开始并且不同的分割部分141至144之间延时τ。
在有N个用于刺激的刺激单元即分割部分时,两个彼此相继的刺激145之间的时间延迟τ可以为周期T刺激(stim)=1/f刺激(stim)的N分之一。图13中所示的实施例(N=4),时间延迟τ相当于T刺激(stim)/4。前面给出,两个彼此相继的刺激145之间的时间延迟τ为T刺激(stim)/N,也可以有一定程度的偏移。例如可以从时间延迟τ的值T刺激(stim)/N偏移±10%,±20%或±30%。对于这种偏移还可以达到刺激效果,也就是说还可以看到去同步化的作用。
图13所示的单个脉冲145的矩形形状示出了理想形状。根据生成单个脉冲145的电子设备和传输眼镜122的质量,有可能偏离理想的矩形。根据患者的基本病症以及个人的心理-身体条件,例如眩光敏感度,也可以使用具有较少的尖锐侧面,即平滑走向的刺激。
作为矩形的刺激145的替代,控制单元10也可以生成其他形式的光的第一刺激,如在图14至16中示出的例子。图14示出了三角形的光的第一刺激146。例如在时间点t1开启最小传输率且传输率连续地增长至时间点t2达到最大值。替代性地可以设置,在刺激146的开始传输率最大然后减小到最小值。
在图15中示出的三角形的光的第一刺激147具有上升沿和下降沿。在时间点t1开始的传输率此处例如上升然后达到最大值再下降直到时间点t2。
此外可以设计,刺激的上升沿和下降沿(例如指数型)“边角圆化”。图16示出了边角圆化的矩形的光的第一刺激148。此外可以将刺激换成简单的正弦形式。
上面所述的信号形状和其参数仅仅用于示例性的理解。完全有可能偏离上述信号形状和其参数。
图13至16所示的严格周期性的刺激图样可以以不同的方式和形式改变。例如在相继出现的刺激145、146、147或者148之间的时间延迟τ不需要一直同样大小。可以设置,选择不同的单个刺激145、146、147或者148之间的时间间距。此外也可以在患者治疗期间变化延迟时间。延迟时间也可以根据生理信号的运行时间进行调整。
此外可以在施用刺激145、146、147或者148的时候设置停顿,在停顿时间内没有刺激。可以选择任意长度的停顿,特别是周期T刺激 (stim)的整数倍。可以在任意个刺激后进行停顿。例如可以在N个彼此相继的周期长度T刺激(stim)内进行刺激然后在M个周期长度T刺激(stim)内进行刺激的停顿,其中N和M为较小的整数,例如在1至15之间。可以周期性地实施该方案,或者随机地和/或确定地进行调整,例如混乱地。
还有可能从图13至16示出的严格周期刺激图样进行改变,如下,每个分割部分141至144的两个相邻的刺激145、146、147或者148之间的时间间距随机地或确定地或随机-确定混合地进行变化。
此外可以在每个周期T刺激(stim)(或者别的时间长度)内变化分割部分141至144施用刺激145、146、147或者148的序列顺序。这种变化可以是随机的或确定的或随机-确定混合的。
此外可以在N个刺激周期后跟着M个周期的停顿,并且这样循环重复的刺激图样内,在N个一起的刺激周期内选择分割部分141至144的同样序列顺序,但是在不同的具有N个刺激周期的段之间变化不同的序列顺序。这种变化可以是随机的或确定的或随机-确定混合的。
此外可以在每个周期T刺激(stim)(或者别的时间长度)内只采用确定数量的分割部分141至144用来刺激,并且在每个时间段对参与刺激的分割部分进行变化。这种变化也可以是随机的或确定的或随机-确定混合的。
除了在图13至16示出的脉冲形式的、彼此具有时间推移的刺激145至148也可以使用其他信号形式的光的刺激。例如每一个分割部分141至144可以生成一个(连续的)正弦信号,不同的分割部分141至144生成的正弦信号的相位发生移动。正弦信号的平均频率可以是一样的。正弦信号之间的相位移动或者之前设定,例如每两个N个刺激信号之间的相位移动为2π/N,那么时间延迟为T刺激(stim)/N,或者相位移动是例如混乱地和/或随机地变化。此外光的刺激可以具有不同的极性。在正弦信号作为光的刺激的情况下,两个分离部分可以施用时间相同的、但是极性相反的正弦信号(相当于π的相位移动)。
此外还可以,每个分割部分141至144生成的正弦信号分别具有不同的频率。例如可以一个分割部分施用频率为5Hz的正弦信号,其余三个分割部分施用频率为4Hz、3Hz和2Hz的正弦信号(也就是说,在传输眼镜的情况下,每个分割部分141至144的传输率随着相应的频率改变)。作为正弦信号的替代也可以使用其他(振荡的)信号形式,例如具有相应的基本频率的矩形信号。信号不需要时间错置地施用,而是分割部分141至144可以同时生成光的刺激。光的刺激可以在一个长的时间段内连续地施用,也可以在施用期间进行停顿。
施用具有不同频率的光的刺激不一定导致相应受到刺激的亚群体内神经活动的相位的快速重置,而是通过该信号对相应的受到刺激的亚群体在一段已知的时间的刺激后,强迫出现一个确定的与相应刺激频率相关的相位。最终导致整个神经群体的去同步化。
图17图示出了作为第一刺激单元的另一个实施形式的部分透光的光学眼镜11。部分透光的光学眼镜11没有应用传输率可变的镜片。而是每个镜片只有部分149透光,而镜片的其余部分150不透光。每个镜片至少在一个位置设置有光源。光源可以是例如发光二级管或者光纤,该光纤将例如固定在其它位置的发光二级管或者其它发光物质的光传送到镜片。图17所示的光学眼镜11的每个镜片具有4个光源151、152、153和154。然而光学眼镜11也可以具有其他数目的形状任意的光源。此外透光部分149也可以设计成与图17所示的不同。
患者只能通过镜片的透光部分149观看。当这个部分相对于整个镜片较小时,患者就被强迫将其眼镜保持在相对于眼镜固定的位置。光源151至154只刺激患者的视网膜,而不会视觉上刺激在眼镜另外一侧的观测者。不同的光源151至154刺激例如患者的视网膜的特定区域。眼镜边缘和脸之间的空间可以不透光地进行封闭(没有示出)。
图18图示出了作为第一刺激单元的另一个实施形式的不透光的光学眼镜11。对于不透光的光学眼镜11,镜片155是整个不透光的。每个镜片155的至少一个地方设置有光源。光源的设计可以与部分透光光学眼镜一样,例如为发光二接管或者光纤。图18所示的每个镜片具有9个光源。其中四个配备有标记号151至154。然而光学眼镜11也可以具有其他数目的光源,其以任意形式设置。
患者不能通过镜片观看,而是只能由光源进行视觉刺激。如同部分透光光学眼镜,光源只能刺激患者的视网膜。不同的光源刺激患者视网膜的特定区域。眼镜边缘和脸之间的空间可以不透光地进行封闭(没有示出)。
不透光的光学眼镜11可以具有一个固定目标,患者可以舒适地(例如没有目眩效果)注视。通过指令在治疗过程中注视固定目标可以防止患者以眼睛运动跟随不同的照明光源。在后者的情况下当使用固定目标刺激视网膜的不同部分时,将首先刺激视网膜的中间部分,视网膜中央窝。
利用例如图17和18所示的光学眼镜11的刺激方法可以如图19所示的图实施。图19中相继描绘出由光的眼镜11的光源151至154施用的光的第一刺激156关于时间t的变化图形。
图19所示的方法原则上相当于图13所示的传输眼镜的方法。图19所示的方法中,每个光源151至154周期性施用刺激156。频率f刺 激(stim)=1/T刺激(stim),每个光源151至154的刺激156以该频率进行重复,该频率可以在区间1至30Hz内特别在5至20Hz内,但也可以取较小或者较大的值。
为了图示简便,在图19中刺激方法只示出了四个光源151至154。然而该方法可以以相应方式扩展为任意数目的光源。
对于利用光源生成刺激156的情况,典型地在时间点t1打开在时间点t2关闭相关光源。单个光刺激的最大幅度(亮度)位于区域1至20cd/m2(坎德拉每平方米)。在刺激过程中,即在t1和t2之间的时间段内,也可以应用较小的亮度值。
结合图13至16描述的所有实施例可以以相应方式转移到利用图17和18所示的光学眼镜11进行的刺激。
用于生成特异的声刺激的刺激单元:
下面将描述用于生成声的第一刺激的非侵入式的第一刺激单元11的实施例。可以在题目为“声刺激的设备和方法”的德国专利申请No.10 2008 015 259.5中找到该类刺激单元,其于2008年3月20日向德国专利商标局提交。德国专利申请No.10 2008 015 259.5披露的全部内容在此并入本申请。
下面将只描述声的第一刺激的生成。可以看出,特异的第一刺激和非特异的第二刺激组合地进行施用,如上述按照图1至5所描述的内容。
图20示出了用于生成声的第一刺激21的第一刺激单元11的设计方案。第一刺激单元11由控制单元10用控制信号23进行调控。图20中示意性地示出了患者的一个耳朵212和患者大脑中的听觉皮层213。
声的第一刺激21的频谱可以全部或者部分位于人类可以听到的范围内。声的第一刺激21可以经由患者的一个或者两个耳朵被患者接收然后经过一条或多条听觉神经216传递到大脑中的神经群体。声的第一刺激21这样进行设置,它们刺激到位于听觉皮层213内的神经群体。声的第一刺激21的频谱中至少存在一个第一频率f1和一个第二频率f2。声的第一刺激21还可以具有其他频率或者混合频率,在图20示出的实施例中该频率为一个第三频率f3和一个第四频率f4。
由第一刺激单元11生成的声的第一刺激21在内耳中转换成神经脉冲然后经过听觉神经216向听觉皮层213传递。通过听觉皮层213的音质分布,听觉皮层213的某个确定部分在具有某个确定频率的内耳声刺激后激活。听觉皮层的声位分布在下述文章中有所描述:D.Bilecen,K.Scheffler,N.Schmid,K.Tschopp和J.Seelig的《Tonotopic organization of the human auditory cortex asdetected by BOLD-FMRI》(刊登于Hearing Research 126,1998,第19至27页),D.R.M.Langers,W.H.Backes和P.van Dijk的《Representation of lateralization and tonotopy in primaryversus secondary human auditory cortex》(刊登在NeuroImage34,2007,第264至273页)以及W.Mühlnickel,T.Elbert,E.Taub和H.Flor的《Reorganization of auditory cortex in tinnitus》(刊登在Proc.Natl.Acad.Sci.USA 95,1998,第10340至10343页)。
在图20中的例子中,声的第一刺激21这样设置,利用其刺激具有病态的同步和振荡活动的听觉皮层213的神经群体。该神经群体在刺激前至少概念上可以分成不同的亚群体,其中包括图20所示的亚群体217、218、219和220。在刺激开始之前,所有亚群体217至220的神经很大程度上同步兴奋并且具有同样地病态的平均频率。根据听觉皮层213的声位分布用第一频率f1刺激第一亚群体217,用第二频率f2刺激第二亚群体218,用第三频率f3刺激第三亚群体219且用第四频率f4刺激第四亚群体220。由声的第一刺激生成的刺激导致相应的亚群体217至220的受到刺激的神经的神经活动的相位重置,即所谓的复位。通过重置,受到刺激的神经的相位与当前相位值无关而设置为一个确定的相位值,例如0°。由此通过有目的的刺激使病态的亚群体217至220的神经活动得到控制。
由于听觉皮层213的声位分布和多个含有在声的第一刺激21内的频率f1至f4有可能,在不同位置217至220有目的地刺激病态的神经群体。这使得,在不同的刺激位置217至220的病态的神经群体的神经活动的相位在不同的时间点重置,通过该方法在不同的时间点施用频率f1至f4。最终将之前具有同步且以同样的频率和相位活动的神经的病态的神经群体***成亚群体217至220。在每个亚群体217至220中神经继续同步且继续以同样的病态的频率兴奋,但是每个亚群体217至220具有与其神经活动相关的相位,该相位是通过具有频率f1至f4的刺激强加于这些亚群体的。
由神经之间的病态的相互作用决定了,由刺激生成的具有至少两个亚群体的状态不稳定,并且整个神经群体快速趋向于整体不同步的状态,其中神经不受控制地兴奋。由此所希望的状态,即完全去同步化不能在声的第一刺激21的施用后立即得到,而是基本上在几个病态活动的周期或者甚至在少于一个病态活动的周期内生成。
为了在不同的位置,例如图20所示的位置即亚群体217至220定点地刺激听觉皮层213,必须传送对应频率f1至f4的单一声调(利用适宜的屏蔽避免噪声)。由于听觉皮层213的声位分布,通过有目的的传送对应的不同单一声调f1至f4,即正弦振荡的叠加刺激大脑的不同区域。当四个不同部位217至220在不同时间受到刺激,那么在对应的时间施用不同的频率f1至f4。如图21所示例子。此处具有频率f1=1000Hz、f2=800Hz、f3=600Hz和f4=400Hz的正弦振荡相继地以脉冲形式施用,这导致了对听觉皮层213的四个不同部位217至220相继的定位刺激。由每个正弦振荡生成的在听觉皮层213内的对应区域的刺激相当于每个正弦振荡的幅度。
图21所示的脉冲形式的正弦振荡的生成在图22中示意性地示出。此处将正弦振荡221与矩形函数222相乘,矩形函数可以取值0或1。在矩形函数222为0的时间点关闭刺激且在矩形函数222为1的时间内开启刺激。
作为矩形函数222的替代,正弦振荡可以与任意其它函数相乘。最终该相乘相当于正弦振荡221的幅度调制。为了避免在声调开始和结束时的噪声,可以替代矩形函数222选择平滑走向,例如正弦振荡221与适宜长度(例如一个刺激的长度)的正弦半波相乘。
作为前面所述的正弦波的替代,还可以使用具有其它信号形式的振荡信号,例如以相应基本频率振荡的矩形信号,用来生成声的第一刺激21。
如果替代聚焦的刺激使用以聚焦较弱的刺激来刺激听觉皮层213的较大区域,那么将替代单一频率而施用混合频率,例如脉冲形式。借助位于较低频率f下(unten)和较高频率f上(unten)之间的混合频率可以刺激听觉皮层213的全部区域,其由于听觉皮层213内的声位分布受到位于f下(unten)和f上(unten)之间的频率刺激。当例如在不同的时间刺激听觉皮层213的四个不同的较大区域时,那么在所希望的时间施用四个具有边界fj 下(unten)和fj 上(unten)(j=1、2、3、4)的对应混合频率。
可以例如以所谓的“开环”模式驱动第一刺激单元11,其中控制单元10这样调控第一刺激单元11,即,其在某确定刺激时间(例如几个小时)内生成事先设定的声的第一刺激21。此外可以设置第一刺激单元11与控制单元10一起形成图23所示的“闭环”***。在该实施方案中还设置了额外的测量单元15,其提供从患者处收到的测量信号并且输送到控制单元10。测量单元15可以是非侵入式的或者侵入式的传感器(参见上面根据图3的描述)。
根据控制单元10和测量单元15的共同作用可以考虑不同的设计方案。
如前所述,可以根据测量信号在第一运行模式即学习模式和第二运行模式即真正的刺激模式之间转换。此外控制单元10可以根据声的第一刺激21的病理化特征的参数表现设置例如每个正弦波的幅度或者刺激序列之间的停顿。
此外可以设置,由测量单元15接收的测量信号直接或者也许在一个或者几个处理步骤后转化成声的第一刺激21,并且由第一刺激单元11施用。例如测量信号经放大然后也许经过时间延迟和线性和/或非线性的运算步骤的数学运算(例如测量信号的混合)然后作为控制信号23输送到第一刺激单元11的控制输入端。运算模式如此选择:病态的神经活动被削弱且随着病态的神经活动的减少声的第一刺激21同样消失或者至少其强度大幅减小。
图24示意性地示出了应用具有耳塞230的发声器(扬声器)的第一刺激单元11的实施例。耳塞230放入患者的耳朵212的外耳道,并且具有或者不具有支撑架,或者其他适宜将耳塞机械固定在耳朵212上的辅助件。可以将调控发声器的控制单元10和用于电子部件的供电的电池或存储电池安装在一个或多个分开的单元231上。单元231可以借助机械稳定件,例如一个支撑架和耳塞230连接。连接线232将耳塞230和控制单元10或者电池相连。
或者也可以替代耳塞230使用听筒,其含有控制单元10和电池。患者可以借助操作单元(开关按钮和/或旋转开关)开启图24所示的设备,该操作单元或者安装于单元231上或者直接在耳塞230上。利用旋转开关可以设置例如最大的刺激强度。在前述组件之外还可以设置***体233,其与控制单元10遥测地(例如无线电)或者通过连接线相连。在利用连接线进行连接的情况下可以将插头连接器用于连接和断开。
另外可以提供一个由医生控制的***体(未示出),其遥测地或者通过连接线与控制单元10相连。在利用连接线进行连接的情况下,插头连接器可以用于连接和断开。
图25示意性地示出了设备2500,其具有如图24中的第一刺激单元11、一个由EEG-电极234组成的测量单元和施用第二非特异刺激的第二刺激单元。EEG-电极234是皮肤表面的,也就是说固定在患者皮肤上面并通过连接线235、236与控制单元10相连。控制单元10利用EEG-电极234携带的测量信号来调节运行模式。控制单元10可以放大由EEG-电极234测到的电位差并且利用经过可选的线性或非线性处理的该信号进行耳塞230中的发声器的操控。作为连接线235、236的替代可以使EEG-电极234是无线的,即遥测地与控制单元10相连。这样具有优点,患者不会受到连接线的阻碍并且例如不受障碍影响。设备2500具有图4A和4B所示的条件化表作为第二刺激单元12。第二非特异刺激也可以通过其他设计的第二刺激单元12生成。
根据上面提到的四个频率f1至f4下面示例性地阐述如何通过病理化同步的和振荡的神经群体的亚群体的神经活动的相位时间错置的重置达到整个神经群体的去同步化。四个频率f1至f4只是用于理解的例子,也就是说可以使用任意其它数目的频率或者混合频率用于刺激。如此选择四个频率f1至f4,即,通过它们使听觉皮层213的确定区域217至220受到刺激。这就实现了上述的一个病态的神经群体***成亚群体217至220。由此亚群体217至220在刺激后具有不同的相位,可以时间错置地施用频率f1至f4。
满足上述目的的刺激方法在图26中示意性示出。图26上面的四行相继描绘出四个频率为f1、f2、f3和f4的正弦波相对于时间t的变化。所示的正弦波构成声的第一刺激21。为了生成脉冲形式的正弦波使四个正弦波与矩形函数相乘。上面已经阐述,可以替代矩形函数使用平滑函数,例如正弦半波来避免噪声。每个正弦波脉冲以频率f刺激(stim)进行周期性重复。频率f刺激(stim)=1/T刺激(stim)可以在区域1至30Hz特别是5至20Hz内,然而也可以取更小或者更大的值。这类脉冲形式的正弦波适用于将受到刺激的病态的神经亚群体217、218、219和220的神经相位重置,当该序列以声的第一刺激21的形式施用。相位复位不一定出现在一个或者几个脉冲后,而是可能需要一定数量的图26所示的正弦振荡脉冲来重置亚群体217、218、219和220的神经相位。
频率f刺激(stim)可以例如在目标网络的病态的有节奏活动的平均频率范围内。神经病学的或者精神病学的疾病的平均频率典型位于区间1至30Hz内,但也可以位于该区间外。对于耳鸣,过多的同步神经活动位于频率区域1.5至4Hz内。这里要注意,病态的神经同步兴奋的频率通常不是常数,而是肯定具有变化并且对于每个患者有所不同。
为了确定频率f刺激(stim)可以确定患者的病态的有节奏的活动的平均峰值频率。该峰值频率可以用作刺激频率f刺激(stim)或者发生变化,例如从f刺激(stim)-3Hz至f刺激(stim)+3Hz的范围内。替代性地也可以不用事先的测量而选择一个在区间1至30Hz内的频率f刺激(stim),并且该频率在刺激过程中发生变化,直至找到频率f刺激(stim),借助该频率可以达到最佳的刺激效果。另外一个替代形式,可以利用对于每种疾病已知的文献值作为刺激频率f刺激(stim)。该值有可能也发生变化,直至例如达到理想的刺激结果。
正弦波脉冲的持续时间,即在当前涉及方案中将矩形函数的值取为1的时间长度可以例如为T刺激(stim)/2。在这种情况下处于刺激的时间长度与接下来的刺激停顿同样长。但也可以选择其他刺激持续时间,例如在区域T刺激(stim)/2-T刺激(stim)/10到T刺激(stim)/2+T刺激(stim)/10内。其他的刺激持续时间也是可能的,可以例如通过实验确定。
根据图26所示的设计方案,频率f1至f4的传送具有一个在各个频率f1至f4之间的时间延迟。例如可以将具有不同频率的脉冲的时间上相继的脉冲起始点向后推移τ。
在有N个用于刺激的频率时,两个彼此相继的脉冲之间的时间延迟τ可以位于周期T刺激(stim)=1/f刺激(stim)的N分之一。图26中所示的实施例(N=4),时间延迟τ相当于T刺激(stim)/4。前面给出,两个彼此相继的正弦振荡脉冲之间的时间延迟τ为T刺激(stim)/N,也可以有一定程度的偏移。例如可以从时间延迟τ的值T刺激(stim)/N偏移±5%,±10%,±20%或±30%。对于这种偏移还可以实现刺激成果,也就是说还可以看到去同步化的作用。
通过重叠,由具有频率f1至f4的周期性的正弦波脉冲构成了声的第一刺激21。单个正弦振荡脉冲可以线性或非线性地相互结合。这意味着,每个频率f1至f4的正弦波脉冲不一定与声的第一刺激21以相同的振幅相结合。图26的下面一行示例性示出了在四个不同时间点t1、t2、t3和t4的声的第一刺激21的频谱。此处示出的频谱,特别是其高度和形状只是用于示例性地理解,也可以具有完全不同的形状。可以从所示频谱中推断出下述细节:在时间点t1在声的第一刺激21中只出现频率f1。在时间点t2是频率f3和f4,在时间点t3是频率f2至f4,在时间点t4是频率f2和f3。
根据另一个设计方案,应用具有边界fj 下(unten)和fj 上(unten)(j=1、2、3、4)的四个混合频率替代频率f1至f4。在一个混合频率j内可以存在任意个在fj 下(unten)至fj 上(unten)范围内的频率。
根据另一替代的设计方案使用其他函数替代矩形函数来对正弦振荡进行幅度调制,例如正弦半波,其频率小于f1至f4。此外还可以考虑,使用三角形的脉冲作为调制函数。这种脉冲可以具有跳变形式的开始(从0到1),然后下降到0,其中下降可以通过线性或者指数函数给出。通过调制函数将确定每个脉冲的最终包络线形状。
图27中示出了已经在图26中示出的刺激在较长的时间段内的走向。每个具有频率f1=1000Hz、f2=800Hz、f3=600Hz和f4=400Hz的正弦振荡在图27中未示出,而是只示出了矩形的包络线。此外图27中示出了测量单元15接收到的测量信号26,其在刺激前和刺激中表现为听觉皮层的神经活动。周期T刺激(stim)为1/(3.5Hz)=0.29s。
刺激在时间点t起始(start)开始。可以推断出对于在本例中经过带通滤波的测量信号26,在刺激开始之前听觉皮层内的神经具有同步和振荡的活动。刺激开始后不久在目标区域内的病态同步的神经活动得到抑制。
由图26和27示出的严格周期性刺激图样可以以不同的形式和方法进行变换。例如两个相继的正弦波脉冲之间的时间延迟τ不需要一直同样大小。可以设置,在正弦波脉冲之间选择不同的时间间距。此外也可以在患者治疗期间变化延迟时间。延迟时间也可以根据生理信号的运行时间进行调整。
此外可以在施用声的第一刺激21的过程中设置停顿,其间没有刺激。停顿可以选择任意长度,特别是周期T刺激(stim)的整数倍。可以在任意个刺激后进行停顿。例如可以在N个彼此相继的周期长度T刺 激(stim)内进行刺激然后在M个周期长度T刺激(stim)内进行刺激的停顿,其中N和M为较小的整数,例如在1至15之间。可以周期性地实施该方案,或者随机地和/或确定地进行调整,例如混乱地。
图28示出了一个这样的刺激。这里N=2且M=1。否则该刺激就等同于图27中所示的刺激。
另外一种将图26所示的严格周期性刺激图样变换的可能为,频率fj或具有边界fj 下(unten)和fj 上(unten)(j=1、2、3、4)的混合频率的相继的脉冲之间的时间距离随机地或确定性地或随机-确定混合地变化。
此外可以在每个周期T刺激(stim)(或者别的时间长度)内变化序列顺序,在该序列顺序内施用频率fj或具有边界fj 下(unten)和fj 上(unten)的混合频率的。这种变化可以是随机的或确定的或随机-确定混合的。
此外可以在每个周期T刺激(stim)(或者别的时间长度)内只采用确定数量的频率fj或具有边界fj 下(unten)和fj 上(unten)的混合频率,并且在每个时间段变化分配用来刺激的频率fj或具有边界fj 下(unten)和fj 上 (unten)的混合频率。这种变化也可以是随机的或确定的或随机-确定混合的。
前述刺激信号作用为,不同刺激位置的病态的神经群体的神经活动的相位在不同的时间点重置。由此病态的神经群体(其神经之前以同样的频率和相位活动)***成若干个亚群体,最终导致去同步化。
下面将阐述“闭环”刺激的另一个设计方案,其例如通过图25所示的设备2500实施。上面已经阐述,由测量单元15接收的测量信号26可以用来生成控制信号23,用该控制信号来调控第一刺激单元11。其中测量信号26或者直接或者也许经过一个或者几个处理步骤转化为声的第一刺激信号21并且由第一刺激单元11施用。运算模式如此选择:病态的神经活动被削弱且随着病态的神经活动的减少声的第一刺激21同样消失或者至少其强度大幅减小。
在测量信号26输送到第一刺激单元11的控制输入端前,测量信号可以进行线性或者非线性的处理。例如可以将测量信号26过滤和/或增强和/或进行时间延迟和/或与另一个测量信号26进行混合。此外可以用测量信号26或者经过处理的测量信号26将正弦波的振幅和可听范围的频率进行调制且经过幅度调制的正弦振荡可以通过发声器作为声的第一刺激21或者作为该刺激的一部分施用。
为了对正弦波或者其它的振荡波信号进行振幅调制,不必须引入整个测量信号26。可以设置,为此只利用测量信号26或者经过处理的测量信号26的一部分,例如只是位于某个阈值的上半或者下半部分。这种幅度调制在图29中示例性示出。在图29最上面的图中,示出了经过带通滤波器的信号26相对于时间t的变化,此外给出了刺激的起始时间t起始(start)。中间的图里示出了由测量信号26得到的调制信号250。为了生成调制信号250,将测量信号26进行非线性处理并且将测量信号26或者经过处理的测量信号26的所有负值都置为零。此外调制信号250相对于测量信号26发生时间延迟。紧接着这样获得的半波信号250与频率为f1=1000Hz的正弦振荡相乘。调制信号250示出了正弦波的包络线,如图29最下面的图中所示的较短时间段。这样得到的幅度调制的正弦波紧接着耦合回第一刺激单元11,由发声器转换成声的第一刺激21。
除了具有单一频率的正弦波,调制信号250也可以与可听到频率区域内的正弦波(或其它波)的任意混合相乘,这取决于,在听觉皮层的哪个位置需要去同步化。
由图29所示的信号测量26的变化过程可以看出,声的非线性时间延迟半波刺激导致了病理化同步神经活动受到强大的抑制。该刺激有效的机制与例如图26所示的刺激方法的作用方式不同。图29所示的刺激没有将各个受到刺激的亚群体的神经活动相位重置,而是抑制了病理化活动的神经群体的同步化,其中同步的饱和过程受到影响。
下面根据例子阐述,在测量单元15得到的测量信号26应用于第一刺激单元11的调控信号之前,如何设计将该信号进行非线性处理。
出发点是调控信号S(t)的方程:
在方程(1)中,K是可以适当选择的增强系数,
是测量信号26的一个中间状态变量。
是复变量且如下表示:
此处X(t)例如可以为神经学测量信号26。因为此处频率在区间10Hz=1/100ms=1/Tα内,虚部Y(t)可以近似为X(t-τα),此处取τα=Tα/4。因此有:
S(t)=K·[X(t)+iX(t-τα)]2·[X(t-τ)-iX(t-τ-τα)]
(3)
方程(3)可以进行如下变形:
S(t)=K·[x(t)2·X(t-τ)+i2X(t)·X(t-τα)·X(t-τ)-X(t-τα)·X(t-τ)
-iX(t-τ-τα)·X(t)2+2X(t)·X(t-τα)·X(t-τ-τα)
+iX(t-τ-τα)·X(t-τα)]
(4)
方程(4)的实部将作为刺激单元11的调控信号:
real[S(t)]=K·[X(t)2·X(t-τ)-X(t-τα)·X(t-τ)
+2X(t)·X(t-τα)·X(t-τ-τα)] (5)
由反耦合并且可能经过其它处理的测量信号26将听觉皮层有目的地在不同位置进行刺激。在上述四个不同频率f1至f4的情况下,有可能进一步处理的测量信号26进行相应的时间延迟后与频率f1至f4相乘。如果刺激应该不特别精准定位,而是应该扩展地施用,那么替代单一频率f1至f4的正弦波施用四个不同的具有边界fj 下(unten)和fj 上(unten)(j=1,2,3,4)的混合频率。
图30中示例性示出了一个这样的刺激。由经过带通滤波器的测量信号26经过线性处理步骤得到调制信号251、252、253和254,用这些调制信号进行频率f1至f4的振幅调制。调制后的正弦振荡的重叠位置生成控制信号23,该信号由发声器11转换成声的第一刺激21。
下面根据图31A和31B示例性阐释,如何由测量信号26得到调制信号251至254。为此首先确定一个延迟时间τ,在该例中τ=T刺激(stim)/2(也可以是其他值τ=T刺激(stim)或τ=3T刺激(stim)/2)。频率f刺激 (stim)=1/T刺激(stim)可以例如在测量信号26的平均频率范围内,例如可以在1至30Hz,特别地位于5至20Hz。关于延迟时间τ可以在每个调制信号251至254给定一个延迟时间τ1,τ2,τ3和τ4,例如根据下面的方程:
调制信号251至254可以例如由测量信号26得到,其中测量信号26分别以时间延迟τ1,τ2,τ3和τ4发生延迟:
Sj(t)=K·Z(t-τj) (7)
在方程(7)中,S1(t),S2(t),S3(t)和S4(t)代表调制信号251至254,Z(t)代表测量信号26。K为适当挑选的增强系数。此外可以将调制信号S1(t)至S4(t)的所有负值(或者在某个阈值上或者下的所有值)设为零。
根据图31A和31B所示的设计方案,调制信号S1(t)至S4(t)只由延迟时间τ1和τ2计算得出,其中S1(t)与S2(t)和S3(t)与S4(t)分别具有不同的极性:
S1(t)=K·Z(t-τ2) (8)
S2(t)=-K ·Z(t-τ1) (9)
S3(t)=K·Z(t-τ2) (10)
S4(t)=-K·Z(t-τ2) (11)
为了更清楚的表示,在图31A和31B中的调制信号S1(t)和S3(t)向上移动0.5,调制信号S2(t)和S4(t)向下移动0.5。
如图31B中所示,可以将调制信号S1(t)至S4(t)的所有负值(或者在某个阈值上或者下的所有值)设为零。图30中所示的调制信号251至254的生成相当于图31A和31B中的调制信号S1(t)至S4(t)的生成。
生成特异的触觉、振动和/或热刺激的刺激单元:
下面将阐述生成触觉、振动和/或热的第一刺激21的非侵入式第一刺激单元11。可以在题目为“用振动、触觉和/或热的刺激治疗患者的设备和方法”的德国专利申请No.10 2010 000 390.5中找到该类刺激单元,其于2010年2月11日向德国专利商标局提交。德国专利申请No.10 2010 000 390.5披露的全部内容在此并入本申请。
接下来只涉及触觉、振动和热的第一刺激21的生成。显而易见,该特异的第一刺激21与非特异的第二刺激22组合施用,如之前在图1至5中所描述的。
图32示意性示出含有多个刺激部件的第一刺激单元11的实施方案。在该实施例中第一刺激单元11具有四个由控制单元10调控的刺激部件311、312、313、314。图32所示的设计方案仅仅用于示例性地理解。替代性的可以使该设计方案中的第一刺激单元11含有任意数目N(N=2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,…)个刺激单元。
刺激部件311至314这样设计,即,其可放置于患者皮肤上。根据不同的疾病和相关身体部位可以将刺激部件311至314固定在患者皮肤的适宜部位,例如患者的胳膊、腿、手和/或脚。触觉、振动和热第一刺激21可以根据疾病类型或者单一地或者组合地传递到皮肤。
多个刺激部件311至314能够使皮肤的不同接受区域通过单个刺激部件311至314时间上和空间上协调地受到刺激。刺激部件311至314可以这样设置在患者皮肤上,施用在皮肤组织上的刺激通过神经通路引导到不同的目标区域,例如位于脊髓和/或大脑中的目标区域。因此,脊髓和/或大脑中的目标区域在同一个刺激时间段内可以受到可能不同的和/或时间错置的刺激。
用图32中所示的第一刺激单元11实施的刺激方法示例性地在图33中示出。图33中相继描绘出了由刺激部件311至314施用的第一刺激21相对于时间t的变化。
图33所示的方法中,每个刺激部件311至314在皮肤的对应接受区域周期性地施用第一刺激21,刺激部件311至314安置在该区域。由刺激部件311至314施用的第一刺激21以频率f刺激(stim)=1/T刺激(stim)(T刺激(stim)=周期长度)重复,该频率位于1至60Hz范围,特别位于30至60Hz范围或1至30Hz范围或1至20Hz范围或5至20Hz范围内,也可以取更小或者更大的值。单个第一刺激21的持续时间D刺激(stim)可以特别依赖于刺激形式。图33所示的纵坐标同样依赖于第一刺激21的形式。对于振动和触觉刺激描绘偏离度l相对于时间t的变化,对于热刺激描绘的为温度T。由不同刺激部件311至314施用的第一刺激21可以相同或者不同。
单个振动第一刺激21的不同设计方案在图34A、34B、34C和34D中示出。这里描绘出刺激部件的偏离度l相对于时间t的变化。图34A中刺激部件在时间点t1由其静止位置偏离并且压入患者皮肤内。皮肤表面的位置由虚线321示出。在刺激部件与皮肤相接触后,施用频率为f振动(vib)=1/T振动(vib)的周期性振动刺激,该频率位于30至300Hz范围内(T振动(vib)=振动刺激的周期长度)。在频率为300Hz时,刺激部件可以实施大约2N的力。振动刺激20的持续时间D刺激(stim)可以在10至500ms范围内。特别地刺激时长D刺激(stim)位于
其中N为刺激部件的个数。例如,对于T刺激(stim)=1Hz且N=4,刺激时长D刺激(stim)位于10至250ms范围内。然而也可以使用时间上重叠的刺激。
在时间点t2,刺激部件再次回到其静止位置,在该位置刺激部件与皮肤无接触。如图34A所示,振动第一刺激21可以为矩形或者正弦形式的刺激,但也可以具有其它形式。图34A所示的刺激部件压入皮肤的偏离l1可以在区域0.5至3mm。振动期间的刺激部件的偏离l2为0.1至0.5mm。
图34B中所示的是图34A中的振动第一刺激21的变化。在图34B所示的设计方案中,刺激部件始终与患者皮肤相接触。在刺激时间段D刺激(stim)内施用一个如前所述的振动第一刺激21。
振动第一刺激21的另一个变化在图34C中示出。与图34A所示的振动第一刺激21的区别是,刺激部件已经在刺激时长D刺激(stim)内再次返回,因此振动随着时间的增加压入皮肤变少并且最终刺激部件完全离开皮肤。刺激部件的返回可以例如沿着线性或者非线性的(例如指数的)曲线322进行,其与刺激部件的振动f振动(vib)重叠。图34C所示的例子中,每个脉冲的下降沿到达曲线322。紧接着的脉冲具有一个预先给定的高度l2,即每个脉冲的上升沿具有高度l2。
图34C中的振动第一刺激21的一个变化在图34D示出。此处曲线322不是返回到零线(l=0),而是有一个相对零线的补偿值ΔL。
图35中示出了触觉第一刺激21的一个实施形式。刺激部件在时间点t1压向患者皮肤,在此停留刺激持续时间D刺激(stim)然后在时间点t2返回。在触觉第一刺激21中的刺激持续时间D刺激(stim)在10至500ms范围内。特别地刺激持续时间D刺激(stim)位于上面在(12)中给出的范围,但是也可以应用时间上重叠的刺激。
热第一刺激21的不同实施形式示于图36A、36B和36C中。36A和36B示出的设计中,刺激部件被加热或冷却到温度T温度(temp)。如图36B所示,温度T温度(temp)可以在热的第一刺激21前很短的时间才被引入。在此情况下刺激部件在刺激停顿具有温度T0,该温度例如等于室温。或者刺激部件可以被维持在一个恒定温度T温度(temp)。
在图36A的设计中被加热或者冷却的刺激部件在时间点t1被压向患者皮肤并且在此保留一个完整的刺激时长D刺激(stim)。与此不同的在图36B示出的设计中刺激部件在刺激时长D刺激(stim)中以频率f热 刺激(thermo)被压向皮肤然后离开。频率f热刺激(thermo)=1/T热刺激(thermo)在区间1至10Hz内(T热刺激(thermo)=热刺激的周期时长)。
图36C所示的热的第一刺激21基本上对应图36B中的热的第一刺激21。区别在于:图36C中的热第一刺激21无接触地生成。此处刺激温度T温度(temp)通过电磁辐射生成,例如红外线。进一步地,电磁辐射以周期f热刺激(thermo)=1/T热刺激(thermo)作周期性变化(例如通过打开和关闭红外线辐射源)。
热的第一刺激21的刺激时长D刺激(stim)在10至500ms范围内。特别是刺激时长D刺激(stim)位于上面在(12)中给出的区域,也可以应用时间上重叠的刺激。温度T温度(temp)可以从22至42℃。温度T0通常是患者的体温。频率f热刺激(thermo)可以在1至10Hz间,也可以位于这个范围之外。
还可以考虑,单独的第一刺激21含有多个刺激形式。例如图34A所示的振动第一刺激21同时是一个热刺激,只要施加刺激的刺激部件相应地被加热或者冷却。进而,图34A所示的振动第一刺激21可以同时是一个触觉刺激(通过刺激部件在皮肤上出现可以激活触动受体)。
由刺激单元311至314施用的第一刺激21被位于皮肤内或皮肤下的受体接收并且被输送到神经***。例如Merkel细胞、Ruffini小体、Meissner小体和毛囊受体都是这种受体,这种受体特别作用为触觉的第一刺激21的受体。振动第一刺激21旨在深部敏感度。振动第一刺激21可以被肌肤、肌肉、皮下组织和/或患者肌腱内的受体接收。例如Vater-Pacini小体作为振动刺激的受体提及,Vater-Pacini小体可以调节振动触觉和加速度。热的第一刺激21被皮肤的热受体接收。有热受体(也称温暖受体、热感受器或温暖感受器)和冷感受器(也称冷量感受器、冷受体或冷量受体)。人类的皮肤中冷感受器多位于表面,热受体则稍深一些。
由刺激部件311至314生成的第一刺激21被设计为:当该刺激被对应的受体接收并且通过神经通路被传送到大脑或者脊髓中的具有病态的同步和振荡活动的神经群体时,该刺激在神经群体内使受刺激神经的神经活动的相位重置。通过重置作用受刺激神经的相位与当前相位值无关地被设为一个固定值,例如0°。由此借助有针对性的刺激控制病态神经群体的神经活动的相位。
此外由于多个刺激部件而使得刺激多个部位的病态神经群体成为可能。因为施用于皮肤不同部位的第一刺激21被传送到脑部和脊髓的不同部位。这使得,在不同受激部位的病态神经群体的神经活动的相位在不同的时间点复位。其结果是由此原本神经同步且同频同相活动的病态神经群体***成多个亚群体。在一个亚群体内部的多条神经继续同步且继续以同一个病态频率兴奋,但是每一个亚群体具有与其神经活动相关的相位,该相位是通过刺激施加给这些亚群体的。
由神经间的病态的相互作用决定了由刺激生成的具有至少两个亚群体的状态不稳定,整个神经群体迅速接近一个完全不同步的状态,在该状态内神经不相关的兴奋。理想的状态,即完全去同步化,由此在第一刺激21的施用后不是马上生成,而是大部分出现在几个周期内或甚至少于一个病态活动的周期。
图示的在图37中示出了借助第一刺激单元11对病态活动的神经群体330的多个亚群体的刺激。通过第一刺激单元11的刺激部件311至314,在皮肤315的不同位置上对应的受体被触觉刺激和/或振动刺激和/或热的第一刺激21所刺激。刺激部件311、312、313和314施用的第一刺激21被传导到神经群体330不同的亚群体331、332、333和334(刺激部件311的刺激到亚群体331,刺激部件312的刺激到亚群体332,刺激部件313的刺激到亚群体333,刺激部件314的刺激到亚群体334)且在不同的时间点重置这些亚群体,由此达到整个神经群体330的去同步化。
大脑或脊髓的特定区域的有目的的刺激通过针对这些区域的身体局部的躯体特定区分配达到。例如刺激单元311至314可以被安在患者的脚、小腿和大腿或者也可以在手、小臂和大臂。由于神经传导带的体感结构将通过在对应位置施用的刺激刺激不同的神经。对于大脑区域的皮肤位置的躯体特定区分配例如在A.Benninghoff等:《人体解剖教科书。根据侧重功能关联的展示。3.Bd.神经***、皮肤和感觉器官》,乌尔班和施瓦茨伯格,慕尼黑1964,中所描写。
为了通过病态同步的神经群体330的亚群体331至334的相位的时间错置的重置达到整个神经群体30的去同步化,可以采取不同的形式和方法。例如可以通过不同的刺激部件311至314向皮肤的对应接收区域释放作用于神经相位重置的第一刺激21。此外可以例如相位偏移地或以不同的极性施用刺激,由此结果是该刺激引起不同亚群体331至334的相位的时间错置的重置。
图38中示出了一个针对上述目的适宜的刺激方法。在图38中相继描绘出通过刺激部件311至314施用的第一刺激21相对于时间t的变化。第一刺激21可以应用例如图34A至36C中示出的振动刺激、触觉刺激和热刺激。图38所示的图表被划分成长度为T刺激(stim)的周期性重复第一时间区域。频率f刺激(stim)=1/T刺激(stim),长度为T刺激(stim)的第一时间区域以该频率重复,该频率可以在1至60Hz范围内特别是30至60Hz范围或1至30Hz范围或1至20Hz范围或5至20Hz范围内,但也可以取更小或者更大的值。
长度为T刺激(stim)的第一时间区域进一步被划分为长度为T刺激(stim)/4的第二时间区域。一个含有N个刺激单元的刺激中,第一时间区域可以被划分成N个长度为T刺激(stim)/N的第二时间区域。
根据一个设计方案,第一时间区域内的每个刺激部件311至314不再生成第一刺激21。第一刺激21可以在彼此相继的第二时间区域内由不同的刺激部件311至314生成。
在图38所示的设计方案中,刺激部件311至314严格遵守周期性频率f刺激(stim)运用第一刺激21。第一刺激21的施用经不同刺激部件311至314以每个刺激部件311至314间的时间延迟T刺激(stim)/4来进行。
有N个刺激部件的情况下,两个相继出现的第一刺激21间的时间延迟可以例如为周期1/f刺激(stim)的N分之一,即1/(N x f刺激(stim))=T刺激(stim)/N,即,特别是两个相继出现的第一刺激21的起始时间点相差T刺激(stim)/N。
频率f刺激(stim)可以例如位于目标网络的病态的、有节奏的活动的平均频率范围内。对于存在提高的神经同步的疾病,典型的平均频率位于1至30Hz范围内,但也可以位于该范围外。此处应该注意,相关神经同步兴奋的频率,一般不是常数,而是可以完全为变量而且还对于每个患者存在个体差异。
图38中示出的严格周期的刺激图样可以以不同的形式和方法发生变化。例如彼此相继的、同一个刺激部件生成的第一刺激21之间的时间延迟T刺激(stim)不是一直同样大小,而是可以相对于T刺激(stim)在T刺激(stim)的±10%或者±5%或者±3%范围内变化。此外两个彼此相继的、不同刺激部件生成的第一刺激21之间的时间间隔也可以相对于T刺激(stim)在T刺激(stim)的±10%或者±5%或者±3%范围内变化。完全可以这样设置,单一的第一刺激21之间的时间间隔被选定为不同的。此外延迟时间也可以在对患者的治疗过程中改变。也可以根据生理信号时长而调整延迟时间。
另外可以在第一刺激21的施用中设置停顿,在停顿中不进行刺激。一个这样的停顿如图39示例性示出。停顿长度可以任意长度且特别是四分之一周期T刺激(stim)的整数倍。进一步地,该停顿可以在任意个刺激后发生。例如,一个刺激可以在N个彼此相继的长度为T刺激(stim)的周期内施用然后在M个长度为T刺激(stim)的周期期间没有刺激地维持停顿,此处N和M是小值整数,例如在1至10范围内。该模式可以周期性地继续或者限定为随机和/或确定性的或者随机-确定混合的。
另一个可能是,图38示出的严格周期性的刺激图样改变为,每个第一刺激21的时间顺序随机或确定性地或者随机-确定混合地发生变化。
此外可以在每个周期T刺激(stim)内(或者也可以在其它的时间段内)改变刺激部件311至314施用第一刺激21的顺序,例如图40中示出的。该随机化可以是随机或确定性的或者随机-确定混合的。
图40中示出的随机化可以与图39中示出的刺激形式相结合。例如可以在N个彼此相继的长度为T刺激(stim)的刺激时间段内的每一个实施重新的随机化,或者也可以在每个长度为M x T刺激(stim)的停顿后实施随机化且在每个随后的N个刺激时间段维持顺序恒定,在该顺序内刺激部件311至314施用第一刺激21。
此外可以在每个周期T刺激(stim)内(或者也可以在其它的时间区域内)只施用一个固定数目的刺激部件311至314用于刺激且参与刺激的刺激部件可以在任意时间区域变化。该变化也可以是随机或确定性的或者随机-确定混合的。
第一刺激单元11可以在“开环”模式下运行,在该模式下控制单元10这样调控刺激部件311至314,其生成前述第一刺激21并将第一刺激传递到皮肤组织。此外第一刺激单元11可以与控制单元10一起形成图41所示的“闭环”***。在该实施例中还设置有额外的测量单元15,其提供从患者接收的测量信号并且传递到控制单元10。测量单元15可以是非侵入式或者侵入性的传感器(参见关于图3的阐述)。
鉴于控制单元10和测量单元15的共同作用可以考虑不同的设计方案。
如前所述,例如可以通过测量信号在第一运行模式即学习阶段和第二运行模式即真正的刺激阶段之间转换。此外第一刺激21的参数,例如在振动刺激情况下的确定频率f振动(vib)或者压入深度l2,可以由控制单元10根据病理性的特征程度进行设置。
另外可以设置,由测量单元15接收的测量信号直接或者也许经过一个或多个处理步骤转化成触觉、振动和/或热的第一刺激并由第一刺激单元11施用。例如测量信号经放大然后也许经过时间延迟和线性和/或非线性的运算步骤的数学运算(例如测量信号的混合)然后作为控制信号23输送到刺激单元11的控制输入端。运算模式如此选择:病态的神经活动被削弱且随着病态的神经活动的减少第一刺激21同样消失或者至少其强度大幅减小。
与图34A至35所示一样,图42A至42C示例性示出了生成触觉和/或振动第一刺激21的刺激单元的不同实现可能。例如刺激单元可以设计为杆340(或者其他主体),该部件一端刺激患者的皮肤315。刺激单元340被一个机电转换器341(或动臂机构或驱动器)驱动,该转换器将电能转换为刺激单元340的运动。作为机电转换器341适用例如直流电动机、音圈(英文:voice coil)、压电换能器或由电活性聚合物(EAP)制成的转换器,该转换器在有电压时改变其形状。
机电转换器341可以这样被安放,即,刺激部件340垂直于皮肤表面(参见图42A)或平行于皮肤表面(参见图42B)移动。然而刺激部件340的运动也可以沿其它任意轨道。图42C示出的刺激部件340的钟摆式移动就是一个例子。
刺激部件340的与皮肤表面接触的、最终生成刺激的末端,基本上可以具有一个半圆形(参见图43A)或一个凸点形式的表面(参见图43B)或者其它适宜的形状。
图44A至44C中示出了生成触觉刺激和/或振动第一刺激21的刺激部件的设计的透视图(参见图44A)、从下面的俯视图(参见图44B)和截面图(参见图44C)。当前刺激部件含有一个压电驱动器341作为电机转换器。由于压电驱动器341的运动不能满足所需目的,可以设置一个增强压电驱动器341的运动的机械仪器。例如此处示出一个增强压电驱动器341运动的杠杆臂342。该杠杆臂有一个长的弯曲弹簧342,该弯曲弹簧一端固定在刺激部件的壳体343上,另一端被安装有刺激部件340。压电驱动器341按压弯曲弹簧342的上表面,安装在弯曲弹簧342的下表面的刺激部件340生成一个基于几何组合的增强的压电驱动器341的偏移幅度并且在患者皮肤上施用振动刺激和/或触觉刺激。与皮肤接触的刺激部件340的下表面可以具有不同的形状和尺寸。例如刺激部件340的下表面可以是平的,圆的或者多变的形状。
在安放有压电驱动器341和增益机械仪器的刺激部件壳体343内可以进一步放置一个用于电子和连接部件的腔室344。此外在壳体343的下表面安装一个调整环345,该调整环与壳体343通过螺纹连接并且完成高度的调整,该高度是刺激部件340在其静止位置高出刺激单元下表面的高度。在运行过程中,刺激部件的下表面位于患者皮肤上,例如通过适当的套环固定于患者身体。作为套环的附加品或替代品,刺激部件还可以通过一个单面或双面的医用胶带固定在患者皮肤上。壳体343保护患者不受有可能的危险,例如电压的威胁。
与图36A至36C所示一样,图45A至45C图示出生成热的第一刺激21的刺激部件的不同设计。图45A示出的刺激部件无接触地工作,通过红外线LED灯350的光起到加热肌肤的作用。
通过接触皮肤表面施用热刺激的刺激部件如图45B和45C所示。图45B所示的刺激部件含有一个机电转换器341和一个杆状的刺激部件340,基本上和图42A示出的刺激部件具有同样地组成部件。此外图45B的刺激部件具有一个加热元件和/或一个冷却元件(例如以加热环的形式),该元件加热或者冷却刺激部件。热的第一刺激21通过刺激部件340的运动生成,运动过程中刺激部件340重复与皮肤315接触然后再次离开。刺激部件340的温度可以在整个刺激过程中保持恒定。
或者,可加热和可冷却的刺激单元340可在整个刺激时间内保持与患者皮肤315接触,如图45C所示。这种情况下的热刺激通过刺激340的温度随时间的变化而生成。机电转换器在这个设计中不是必须需要。
图46A至46C中示出了生成热第一刺激21的刺激部件的一个设计的透视图(参见图46A)、从下面的俯视图(参见图46B)和截面图(参见图46C)。刺激部件含有一个杆状的刺激部件340,该部件的下端可加热和/或可冷却。在刺激部件的上端,刺激部件340被一个凸轮盘351驱动。在刺激过程中,一个直流电动机352旋转移动凸轮盘351。通过安装在凸轮盘351下表面的凸轮353,刺激部件340被向下移动。复位弹簧354作用为,刺激部件340最终再次返回到其起始状态。通过该机械仪器,凸轮盘351的旋转运动转变为刺激部件340的线形移动。如上所述,刺激部件340可以或者在一段时间内与患者皮肤接触,或者刺激部件340通过凸轮盘351的旋转周期性地移向皮肤然后再次远离。
刺激部件的组成部分可以安装在壳体355内。在壳体355内有一个用于电子仪器和连接部件的腔室356。此外在壳体355的下表面安装一个调整环357,该调整环与壳体355通过一个线连接并且完成高度的调整,该高度是刺激部件340在其静止位置高出刺激部件下表面的高度(由于该调整环,刺激部件340可以在其静止位置也完全高于调整环的下表面)。在运行过程中刺激部件的下表面位于患者皮肤上,例如通过适当的套环被固定于患者身体。作为套环的附加品或替代品,刺激部件还可以通过一个单面或双面的医用胶带被固定在患者皮肤上。壳体355保护患者不受有可能的危险,例如电压的威胁。
本申请中描述的刺激部件可以单独地固定在患者身上或者也可以多个集成为一个模块。例如一个模块可以含有一个套环,该套环具备多个固定在上面的刺激部件。然后套环可以固定在患者的胳膊或者腿上。图47示出刺激过程:这些刺激过程如何被一共N个模块实施,每个模块含有4个刺激部件。在图47最左边所示的刺激方法,所有刺激单元从一个刺激周期T刺激(stim)的开始施用一个触觉、振动或热的第一刺激21。在图47中间所示的刺激方法中,同一个模块的四个不同的刺激部件的刺激20分别有T刺激(stim)/4的时间延迟。在此情况下,在每一个长度为T刺激(stim)/4的时间段内恰好一个模块内的刺激部件施用一个第一刺激21。在图47最右边所示的刺激过程中,一个模块的四个不同的刺激部件同时生成他们的第一刺激21,但是不同模块的第一刺激21彼此时间上发生延迟。
在图47所示的所有刺激方法中,也可以在刺激中安插任意的停顿。典型地,刺激停顿具有一个或多个刺激周期T刺激(stim)的长度。例如图48所示。此处所示的刺激方法中,在两个彼此相继的刺激周期T刺激(stim)内实行刺激,然后在一个刺激周期T刺激(stim)内安插一个刺激停顿。该图样周期性重复。
此外在图47和48所示的刺激方法中,可以引入一个顺序的随机化,在该随机化中单个刺激单元生成第一刺激21,其中,可以考虑下列随机化:
1.所有模块中的刺激顺序的随机化在每个刺激周期T刺激(stim)中是相关的,也就是说:在每一个周期T刺激(stim)的开始确定一个顺序,刺激单元以该顺序生成第一刺激21(例如,顺序刺激#4、刺激#3、刺激#2、刺激#1)且该顺序适用于所有模块。
2.所有模块中的刺激顺序的随机化在一组彼此相继的刺激周期T刺激(stim)中是相关的,也就是说:在图48所示的一组彼此相继的刺激周期T刺激(stim)(即一个刺激停顿后)的开始确定一个顺序,刺激单元以该顺序生成刺激(例如,顺序刺激#4、刺激#3、刺激#2、刺激#1)且该顺序适用于该刺激组的所有模块直至下一个停顿。
3.不是所有模块中的刺激顺序的随机化是相关的,而是只在一个下级组的所有模块中相关地变化。也就是说:只在一个确定的模块(例如模块#2)实行一个前述1.或2.中的随机化,其余模块采取如图47所示的方式。
4.不是所有模块中的刺激顺序的随机化是相关的,而是只在多于一个下级组的所有模块中相关地变化。也就是说:只在两个或多个模块(例如模块#2和#4)实行一个前述1.或2.中的随机化,其余模块采取如图47所示的方式。
5.不同模块的刺激顺序的随机化不相关,也就是说:对于每个刺激周期T刺激(stim)或每个位于两个停顿间的彼此相继的刺激周期T刺 激(stim)组,确定一个对于每个模块与其它模块不相关的顺序,刺激部件以该顺序生成刺激。
图49示出一个生成触觉、振动和/或热的第一刺激21的设备的方框图。设备含有分别具有n个刺激部件的n个模块和n个传感器。模块和传感器通过连接电缆或无线电(例如WPAN(无线个人局域网)-网络)与连接模块360相连,该连接模块可以再与一台电脑361(例如一个手提电脑),和外部仪器362连接。所有模块和传感器不必须同时投入使用,根据刺激类型也可以只有其中一部分投入使用。模块和/或传感器可以通过电池或蓄电池供电,因此他们不依赖于中央供电。用户(例如医生)可以借助一个适当的安装在电脑上361的软件选择刺激方法且设置该刺激方法的参数。
集成在模块中的刺激单元的操控可以通过电脑361完成。作为备选可以在每个模块中集成一个控制单元10(参见图50A),该控制单元作用为调控各个模块的刺激部件。这样使得模块在很大程度上可以独立运行。进一步地,可以为每一个刺激部件设置一个独立的控制单元10(参见图50B)。这样达到刺激部件运行的通用性最大化,然而这样将增大模块的重量和尺寸。作为另一替代方案,可以将控制单元10集中安放于连接模块360中(参见图50C)。由此特别有利的是减轻模块的重量和尺寸并且降低生产成本。但是这样的设计中,模块不能不依赖连接模块360运行。
图51示意性示出设备5100,其具有如前所述的含有施用特异触觉、振动和/或热的第一刺激21的刺激部件311至314的第一刺激单元和施用第二非特异刺激的第二刺激单元12。患者在相关身体部位或者头部区域相关的内脏携带刺激部件311至314。在本实施方式中,刺激部件311至314固定在患者的胳膊上。设备5100具有图4A和4B所示的条件化表作为第二刺激单元12。替代性地也可以由其他设计形式的第二刺激单元12生成第二非特异刺激。