CN104888352A - 分形刺激方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称为分形刺激方法及设备。分形刺激设备利用基于分形的图案来发出治疗刺激以用于对人类疾病的最优治疗。该设备包含微处理器，所述微处理器控制并且输出预编程的一系列刺激。刺激的类型包括电刺激、磁刺激、光刺激、机械刺激和听觉刺激。所有的刺激包含可调节的参数，所述可调节的参数包括幅度、强度、波长、频率、运动、旋律和脉冲。所述参数被调节以遵循与典型刺激设备的非分形的、周期性的、随机的或混乱的图案相对的分形图案。除了分形刺激之外，该设备可包括分形成形的递送机构并且所述递送机构可以分形的方式被定位在对象-设备接口处。这种用于刺激设备的递送方法使对人类疾病治疗的功效最优化。

Description

分形刺激方法及设备
技术领域
本发明涉及医疗***及程序，并且更具体地涉及生理治疗疗法和刺激设备以及用于人类疾病治疗的方法。
背景技术
有许多被用于通过外部生成的刺激形式来治疗患病的或生病的人类患者的理论和实际的治疗设备。尽管一些治疗刺激处理与其他一些相比更广为人知或被理解，用于这些设备的设计和应用的最优方法仍然正被讨论。
常见的治疗刺激方法是经皮电神经刺激(TENS)。TENS是非侵入式的治疗处理方法，其通过使电流通过附着于被治疗的对象的皮肤的两个或更多个表面电极来刺激神经。TENS一般被用于治疗急性和慢性疼痛两者的目的。
像脑电刺激技术那样的其他治疗处理被用于诸如中风、创伤性脑损伤、阿尔茨海默病、帕金森氏病、抑郁、痴呆、运动失调以及学习无能的情况。用于脑电刺激的方法包括经颅直流刺激(tDCS)、经颅随机噪声刺激(tRNS)以及经颅磁刺激(TMS)。光刺激能够治疗皮肤失调、非季节性抑郁、生理节奏睡眠失调、疼痛减少、痤疮、皱纹和伤口愈合。物理疗法中的振动和压力经常被用于减轻紧张和压力或减轻疼痛，而听觉或音乐疗法是能够被用于具有诸如注意力缺失症、阿尔茨海默病、自闭症或其他痴呆症的失能的人的刺激方法。
尽管有若干种刺激疗法，但无论刺激的性质(电刺激、磁刺激、机械刺激、光刺激、听觉刺激)如何，刺激的最有效的时间图案仍旧未知。已发现周期性的和随机的时间图案在一定程度上是有用的，但有效的、在理论上和生物学上正当的图案仍然难以捉摸。为了找到用于刺激的通用时间图案，即生物***最易对该通用时间图案响应并且该通用时间图案对于功能恢复和提高最优，必须探究正常的生理固有的生物动态及其特性和效用。
分形(fractal)的基本描述可通过自相似结构的概念来描述，该自相似结构包含作为整体表示实体的迭代多尺度子单元。例如，在几何意义上，树的分支、雪花的结构和海贝的螺旋形图案为分形。分形的概念也能够被应用于随时间变化的过程。更具体地，可记录诸如在连续的一段时间上对个人心率的测量的生理时间序列并且可基于分形分析对个人的动态***的生理状态得出结论。
诸如神经***、新陈代谢***、免疫***的所有生理***都由共同地形成网络的、相互作用的元素组成。一种用于理解网络行为的理论框架是非线性动态的规则，其将网络中的组成元素的非线性特性考虑在内。对于最适合于生物计算和控制的网络动态的类型存在三种选择：
1. 常规的或周期性的运动，其中动态***对于导致所接收信息的迅速的、呈指数的消散的环境输入中的差异是不敏感的。因此，网络不携带动态记忆；
2 混乱的运动，其中基于环境输入中的轻微差异，大的和随机的变化发生在网络内。与周期性运动类似，在这个***中没有动态记忆并且环境信息呈指数地消散；
3. 在混乱或分形动态的边缘处的运动，其中网络对于环境信息是敏感的和响应的。在分形网络中，信息的输入不会呈指数地消散，从而产生具有长记忆的***。具有分形动态的网络与生物计算和控制是最兼容的。
鉴于这些考虑，分形多尺度动态在正常的生物网络中将会是普遍的，而患病的***将展现周期性的和/或混乱的运动的病态动态。许多证据支持这种看法：
1) 从来自正常对象的不同头皮区域记录的人类EEG的图案以多尺度的分形EEG图案为特征。有诸如癫痫小发作和癫痫大发作的不同神经情况的患者显示高度周期性的动态。可参考由Robinson等人在Physical Review E(2002)中的“在正常的唤醒状态和癫痫发作下的大规模脑部活动的动态(Dynamics of large-scale brain activity in normal states and epileptic seizures)”；
2) 病态周期性动态不仅在CNS中显露，也在心肺***中、在潮式呼吸中和心力衰竭中显露。此外，即使在有白血病的患者中，周期性血细胞动态被观察到。可参考由Findley等人在American Review of Respiratory Disease 937页至939页(1984)中的“在睡眠期间按潮式呼吸的心脏异位的呼吸暂停和振荡(Apneas and oscillation of cardiac ectopy in Cheyne-Stokes breathing during sleep)”以及参考由G. Chikkappa等人在Blood 1023页至1030页(1976)中的“在有慢性髓细胞白血病的患者中的血白细胞、血小板和网状细胞的周期性振荡(Periodic oscillation of blood leukocytes, platelets, and reticulocytes in a patient with chronic myelocytic leukemia)”；
3) 除了周期性动态的出现，混乱的动态也能够在疾病状态下被观察到。心率可变性显示与心力衰竭关联的、记录在案的周期性运动，并且随机图案化的可变性能够在有心房颤动的对象中被观察到。另一方面，健康的对象展现了多尺度分形变化。这些结果示意了正常的动态分解(breakdown)成混乱和周期性的病态动态的可能性。类似地分解成混乱的情况能够在亨廷顿氏舞蹈症中以及在老年人的步态中看到。可参考由Goldberger等人在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2466页至2472页(2002)中的“生理学中的分形动态：随疾病和老化的变化(Fractal dynamics in physiology: alterations with disease and aging)”。
理论上的考虑和实验的观察都指向正常生理动态的分形性质，并且背离分形是患病过程的指示器。由于分形动态位于常规的周期性运动与混乱之间，其经常被称为在混乱的边缘处的动态。在这点上，所有治疗干预，即身体上的、药理学的、外科的或其他方面的干预的根本目标是远离高度机械的周期性过程或远离高度不可预测的混乱过程地、在混乱的边缘处恢复网络分形运动。
治疗刺激的动态的性质存在于这样的事实中，即持续的无尺度分形动态对于正常工作的生物***而言是正常的操作模式，***响应所述治疗刺激并且所述治疗刺激对于将病态***恢复和养护回到健康状态最优。
过去的研究已显示了导致病态的动态的特定刺激图案的证据：
癫痫发作已被报告为是由周期性的刺激图案诱发的。在以特定频率使用闪光灯(光诱发的发作)时、在TMS和TENS的临床应用中观察到它们。可参考由Muller等人在Brain Stimulation 320页到329页(2013)中的“在有病态正面感官现象的患者中的重复经颅磁刺激的安全性和可容忍性：文献综述(Safety and tolerability of repetitive transcranial magnetic stimulation in patients with pathologic positive sensory phenomena: a review of literature)”以及参考由Appleton等人在Seizure 108页至111页(2000)中的“青少年肌肉阵挛性癫痫中的光敏性(Photosensitivity in juvenile myoclonic epilepsy)”以及参考由de Haan等人在Epilepsia 1545页至1549页(2005)中的“对于光敏性癫痫的同卵双胞胎兄弟不一致：人类中可能的视觉启动效应的第一份报告(Monozygous twin brothers discordant for photosensitive epilepsy: first report of possible visual priming in human)”。
由于周期性是构成这些病例的基础的共有时间特征，人们能够推断出非分形的周期性外部刺激图案能够在生物***中诱发病态的、非分形的发作动态。这些观察强烈地辩驳了使用周期性图案对于治疗干预是最优的。
此外，随着治疗阶段前进，已观察到在TENS中用于减轻慢性疼痛的周期性刺激缓慢地失去其功效。这可能是CNS适应于用于激活的单调周期图案的结果。恒定的周期性频率的使用也可使对象对电子脉冲的身体反应麻木，导致在一段时间上较慢的治疗效果。
由于生物***的可塑性，刺激的周期性图案实际上可以鼓励新的周期性动态的建立或现有的病态周期性动态的巩固或这两者，由此使治疗方法的意图失败。Hebbian理论提出突触可塑性的概念，其中细胞的激活增强了相关的突触网络。换句话说，如果预突触神经元是活跃的并且激发后突触神经元，则突触增强。如果预突触神经元是活跃的而后突触神经元不活跃，则突触的力量被降低。因此，突触的力量是经验(experience)-取决于预突触活动和后突触活动。通过使分形刺激服从于有现有的周期性病态的、患病的患者，该刺激通过Hebbian机制在患者中鼓励分形动态。如在常规方法中所使用的周期性刺激没有提供将患者的病态推向健康的分形动态的任何方法并且甚至可能鼓励周期性病态。
发明内容
分形刺激方法通过使用分形图案化的刺激将所治疗的生物***推向分形动态而使各种疾病的治疗最优化。本发明包括治疗设备，该治疗设备包含通过刺激的形式表达的、分形图案化的参数的预编程的变化。所述刺激的递送可以关于时间以及关于结构、形状和递送的布置进行分形图案化。这些刺激包括直流电流、磁刺激、如在音乐疗法中那样的听觉刺激、如在振动和压力(按摩)疗法中那样的机械刺激或光刺激。可调节的参数包括波长、频率、幅度、强度、运动和所发出刺激的脉冲，连同输出源的形状及定位。分形刺激设备的实施例用分形经皮电神经刺激(FTENS)设备来描绘。FTENS使用微处理器，该微处理器被编程为发出电流至一组两个或更多个电极。这些电极被连接至所治疗的对象的皮肤。FTENS设备的一个实施例使用分形成形的电极。FTENS设备的另一实施例通过电流发出分形定序的频率、脉冲宽度和/或强度。
附图说明
图1是分形刺激设备的应用的流程图及其期望的效果(改编自由Goldberger等人在Circulation e215页至e220页(2000)中的“PhysioBank、PhysioToolKit和PhysioNet：用于复杂生理信号的新研究资源的组件(PhysioBank, PhysioToolKit, and PhysioNet: Components of a New Research Resource for Complex Physiologic Signals)”)。
图2示出刺激的现代方法与分形刺激的比较。
具体实施方式
为治疗刺激设备的设计所提出的方法包括使用分形图案来操控所发出的刺激的序列或形式。可修改单个参数或参数组合来表示分形图案。这些参数包括相关刺激的幅度、强度、波长、频率、运动、旋律和脉冲持续时间以及递送机构的几何形状和定位。
可通过常规的数学方法(迭代函数***、奇异吸引子、L-***、逃逸时间分形、随机分形或有限细分规则)来获得分形序列。也可通过使用健康生物***的生理测量来获得该分形序列。随后，所获得的分形序列被缩放到相对于刺激设备的适当输出范围的期望大小。一个实施例使用健康人类对象的心跳间RR间隔，其具有分形可变性。RR间隔是从一个QRS波群的开头开始到连续的QRS波群的、每次心跳之间的时间间隔。为使误差最小化，可通过心电图(ECG)来测量每次心跳的峰值R波之间的间隔。通过记录和适当地缩放顺序的RR间隔，能够被应用于治疗刺激的分形图案被获得。
图1揭示了分形动态如何被应用于治疗刺激过程的流程图。刺激被改变以按时间方式具有分形图案，或换句话说，相对于时间具有分形图案。刺激的参数和特征包括频率、幅度、强度、波长、脉冲和机械运动。这些参数均可调节以显示分形图案。
在图1中所看到的另一实施例将空间分形图案应用于设备。诸如电极、电磁体、LED、音频设备等的、发出刺激的输出设备是分形成形的。
在图1中所见到的另一实施例通过以分形的方式将输出源定位在对象-设备接口处的使用来应用空间分形图案。
分形经皮电神经刺激(FTENS)设备的一个实施例将电流传输到附着在所治疗的对象的皮肤上的两个或更多个电极。该设备作为具有微处理器的标准TENS机器操作，所述微处理器被编程以发出分形刺激。FTENS设备包括按电流的强度、频率和/或脉冲宽度的分形图案。
图2示出对比于常规的周期性频率的、按所发出刺激的频率的分形刺激图案的实施例。频率大小的范围从0.1 Hz至5000 Hz。更优选地为从1 Hz至1000 Hz。甚至更优选地为从1 Hz至300 Hz。没有周期性防止对象的中枢神经***变得习惯于和麻木于同样的重复频率。通过Hebbian理论，其也向该对象的***鼓励健康的分形动态。
FTENS设备的另一实施例包括分形成形的电极，例如按雪花的形状。
FTENS设备的又一实施例使用多个电极，所述多个电极按分形图案被布置在所治疗的对象或区域的身体和皮肤上。
具有时间分形刺激的、电极的分形布置和形状提供最优的治疗效果，特别是对于像中枢神经***那样的空间分布的网络。

Claims (12)

1.一种方法，其特征在于，所述方法使用分形图案来改变生理治疗设备的刺激输出，以使人类疾病的治疗最优化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中治疗应用包括使用电刺激、磁刺激、光刺激、机械刺激和/或听觉刺激的设备或方法。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所输出的刺激包括频率、幅度、强度、波长、运动和/或脉冲。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括一个实施例，该实施例使用分形成形的递送机构来传输刺激，所述递送机构包括诸如电极、LED、电磁体、压力垫、音频设备等用于传送所述刺激的设备。
5.根据权利要求1所述的方法，其中一个实施例通过以分形的方式在空间上将刺激点定位在对象-设备接口处来递送所述刺激。
6.根据权利要求1所述的方法，其中通过对具有已知分形实体的任何动态***进行测量来获得分形序列，所述***例如为健康的人的心律。
7.一种分形经皮电神经刺激(FTENS)设备，其特征在于，所述设备以分形的方式发出电流以用于治疗疼痛、偏头痛、抑郁及其他人类疾病的治疗目的。
8.根据权利要求7所述的设备，其中两个或更多个电极被用于传输电流至所治疗的对象。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所发出的电流的频率、脉冲宽度或强度具有分形图案。
10.根据权利要求7所述的设备，其中刺激频率具有处于从0.1 Hz至5000 Hz范围内的可变大小，更优选地为从1 Hz至1000 Hz的范围，甚至更优选地为从1 Hz至300 Hz的范围。
11.根据权利要求7所述的设备，其中所述电极具有分形形状。
12.根据权利要求7所述的设备，其中多个电极在空间上以分形的方式被布置在所治疗的对象的身体上。
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