ES2304609T3 - Dispositivo para la desincronizacion de la actividad cerebral neuronal. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la desincronización de la actividad de areales cerebrales patológicamente activos, que comprende medios para estimular regiones cerebrales, caracterizado porque comprende los componentes siguientes: - al menos dos electrodos (2) y - medios de control que están concebidos de modo que, durante su funcionamiento, activan al menos dos electrodos (2) de tal manera que los al menos dos electrodos (2) entreguen estímulos a una respectiva de al menos dos subpoblaciones de una población de neuronas que se debe desincronizar, estando desfasados en tiempo los estímulos entregados por electrodos diferentes (2) y produciéndose por efecto de los estímulos una reposición de fase de la actividad neuronal de las al menos dos subpoblaciones, de modo que las al menos dos subpoblaciones presentan fases diferentes de su actividad neuronal después de las reposiciones de fase provocadas por los estímulos.
Description
Dispositivo para la desincronización de la
actividad cerebral neuronal.
La invención concierne a un dispositivo para la
desincronización de la actividad cerebral neuronal según el
preámbulo de la reivindicación 1.
En pacientes con trastornos neurológicos o
psiquiátricos, por ejemplo enfermedad de Parkinson, tremor esencial,
distonía o trastornos obsesivo-compulsivos, algunas
agrupaciones de células nerviosas son patológicamente activas, por
ejemplo síncronas en grado hiperelevado, en áreas localizadas del
cerebro, por ejemplo del tálamo y de los ganglios basales. En este
caso, un gran número de neuronas forman en sincronismo potenciales
de acción; las neuronas implicadas se disparan con excesivo
sincronismo. Por el contrario, en una persona sana las neuronas en
estas regiones del cerebro se disparan de manera cualitativamente
diferente, por ejemplo de manera incontrolada.
En la enfermedad de Parkinson la actividad
patológicamente síncrona, por ejemplo del tálamo y de los ganglios
basales, varía la actividad neuronal en otras regiones del cerebro,
por ejemplo en areales de la corteza cerebral como el córtex
primariamente motor. La actividad patológicamente síncrona en el
área del tálamo o de los ganglios basales imprime entonces su
ritmo, por ejemplo, a los areales del cerebro, de modo que
finalmente los músculos controlados por estos areales despliegan
actividad patológica, por ejemplo un temblor rítmico (tremor).
En pacientes que ya no pueden ser tratados por
vía medicamentosa se implanta, según el cuadro clínico de la
enfermedad y según que el trastorno se produzca en uno o en ambos
lados, un electrodo de profundidad en un lado o en ambos lados. Un
cable conduce entonces debajo de la piel desde la cabeza hasta el
llamado generador, el cual comprende un instrumento de control con
una batería y está implantado debajo de la piel, por ejemplo en la
zona de la clavícula. A través de los electrodos de profundidad se
realiza una estimulación permanente con una secuencia periódica de
alta frecuencia (tren de impulsos con una frecuencia de > 100 Hz)
de impulsos individuales, por ejemplo impulsos rectangulares. El
objetivo de este método es reprimir el disparo de las neuronas en
las regiones diana. El mecanismo de actuación que sirve de base a la
estimulación en profundidad estándar no está aún suficientemente
aclarado. Los resultados de varios estudios hablan en favor de que
la estimulación en profundidad estándar actúa como una lesión
reversible, es decir, como una desconexión reversible del tejido:
La estimulación en profundidad estándar reprime el disparo de las
neuronas en las regiones objetivo y/o en areales cerebrales unidos
con
ellas.
ellas.
En esta forma de estimulación es desventajoso el
hecho de que el consumo de energía del generador es muy alto, de
modo que el generador, incluyendo la batería, tiene que cambiarse
frecuentemente ya, por medio de una operación, al cabo de
aproximadamente uno a tres años. Aún más desventajoso es el hecho de
que la estimulación permanente con alta frecuencia, como entrada
antifisiológica (antinatural) en el área del cerebro, por ejemplo
del tálamo o de los ganglios basales, puede conducir en el
transcurso de unos pocos años a la adaptación de las agrupaciones
de células nerviosas afectadas. Para lograr el mismo resultado
satisfactorio de estimulación se tiene que estimular entonces con
una mayor amplitud de estimulación a consecuencia de esta
adaptación. Cuanto mayor sea la amplitud de estimulación tanto
mayor será la probabilidad de que, a consecuencia de la estimulación
de areales contiguos, se produzcan efectos secundarios - como
disartria (trastornos del habla), disestesia (sensaciones anómalas
en parte muy dolorosas), ataxia cerebelar (incapacidad de mantenerse
de pie con seguridad sin ayuda externa) o síntomas del tipo de
esquizofrenia, etc -. Estos efectos secundarios no pueden ser
tolerados por el paciente. Por tanto, el tratamiento pierde en
estos casos su eficacia al cabo de unos pocos años.
Por este motivo, se ha propuesto otro método
como el que se ha descrito en el documento DE 102 11 766.7,
referente a "Dispositivo de tratamiento de pacientes por medio de
estimulación cerebral, un componente electrónico y el uso del
dispositivo y del componente electrónico en medicina", en el que
se aplican en la respectiva región diana, en forma controlada según
las necesidades, unos estímulos que desincronizan la actividad
neuronal patológicamente sincronizada. El objetivo de este
procedimiento/este dispositivo no es simplemente reprimir el disparo
patológicamente síncrono como en la estimulación en profundidad
estándar, sino aproximarse en mayor medida al modelo de disparo
fisiológico no correlacionado. Se pretende así, por un lado, reducir
el consumo de corriente y, por otro, prevenir procesos de
adaptación del tejido nervioso que conduzcan a efectos secundarios a
través de un incremento de la amplitud de estimulación. Sin
embargo, este procedimiento de desincronización controlado según las
necesidades tiene también inconvenientes relevantes.
Los inconvenientes de los procedimientos de
estimulación de desincronización controlados según las necesidades
conforme al documento DE 102 11 766.7 resultan del hecho siguiente:
Para desincronizar una agrupación de células nerviosas
sincronizadas con un estímulo eléctrico se tiene que administrar con
precisión un estímulo eléctrico de duración determinada a una fase
determinada de la actividad rítmica patológica en el areal diana.
Dado que tal precisión no puede lograrse todavía fiablemente por
vía experimental en la actualidad, se emplean estímulos compuestos.
El primer estímulo de tal estímulo compuesto controla la dinámica de
la población a desincronizar por medio de una reposición, es decir,
un nuevo arranque, mientras que el segundo estímulo del estímulo
compuesto alcanza a la agrupación de células nerviosas en un estado
vulnerable y la desincroniza. Sin embargo, es imprescindible para
ello que sea suficiente la calidad del control, es decir, la calidad
de la reposición, lo que puede dar lugar, en ciertas
circunstancias, a que tenga que emplearse un fuerte estímulo para
la reposición. Sin embargo, esto deberá evitarse en el sentido de
una aminoración de efectos secundarios. No obstante, es aún más
decisivo el hecho de que la acción desincronizante deseada se
presenta solamente cuando se elijan óptimamente los parámetros de
estimulación, es decir, la duración de los estímulos individuales y
especialmente la pausa entre los estímulos primero y segundo. Esto
tiene serias consecuencias:
- 1.
- Es necesario un proceso de calibración que lleva mucho tiempo y que típicamente dura más de 30 minutos.
- 2.
- A consecuencia del proceso de calibración que lleva mucho tiempo, el efecto de la estimulación desincronizante según el documento DE 102 11 766.7 no puede ser aprovechado para la selección intraoperativa del punto diana más adecuado para el electrodo de profundidad. A este fin, se tendría que ensayar por separado para diferentes puntos diana el efecto de la estimulación desincronizante según el documento DE 102 11 766.7, lo que requeriría una calibración separada para cada punto diana; esto alargaría la duración de la implantación del electrodo de una manera que no se le puede exigir al paciente.
- 3.
- En caso de fluctuaciones relativamente grandes de las propiedades de la red, es decir, fluctuaciones de los parámetros que describen la actividad de la población de células nerviosas, como, por ejemplo, intensidades y cadencias de disparo sinápticas, tiene que realizarse un nuevo calibrado, lo que significa que no se puede lograr ningún efecto terapéutico durante la calibración.
- 4.
- Dado que la estimulación desincronizante según el documento DE 102 11 766.7 actúa solamente cuando la frecuencia de la población de neuronas que se debe desincronizar no está sometida a mayores fluctuaciones, esta estimulación no se puede aplicar a trastornos con episodios de corta duración de actividad síncrona patológicamente hiperelevada con frecuencia fuertemente variable, es decir, por ejemplo, en el caso de epilepsias.
Se conoce por el documento "Reposición de
fase desincronizante de doble impulso y aplicación a estimulación
profunda del cerebro" de P. Tass, Biol. Cybern. 85, 2001,
páginas 343 a 354, un procedimiento para la reposición de fase de
una población de neuronas. El documento EP 1 145 736 A2 revela
otras aplicaciones de neuroestimuladores.
Por tanto, el problema de la invención consiste
en crear un dispositivo para la desincronización de la actividad
cerebral neuronal con el que, en el tratamiento de pacientes con una
estimulación por electrodo, se reprima una adaptación a un estímulo
permanente antifisiológico. Se deberán impedir engorrosos procesos
de calibración y se deberá poder realizar también la estimulación
cuando la componente de frecuencia principal de la actividad
patológicamente rítmica esté sometida a fuertes fluctuaciones. El
dispositivo de estimulación según la invención deberá funcionar con
ahorro de corriente, de modo que sea más raro que las baterías
implantadas en el paciente tengan que ser cambiadas por medio de
una operación.
Partiendo del preámbulo de la reivindicación 1,
el problema se resuelve según la invención por medio de las
características indicadas en la parte caracterizadora de la
reivindicación 1. Sorprendentemente, el problema se resuelve por el
hecho de que se reponen con desfase de tiempo en su respectiva
actividad, es decir, se reponen respecto de su fase, al menos dos
zonas parciales de un areal cerebral o al menos dos areales
cerebrales funcionalmente correspondientes con al menos dos
electrodos, después de lo cual resultan actividades neuronales
desfasadas y se ajusta sorprendentemente en una persona enferma una
desincronización en la población de neuronas afectada y se reprime
la sintomática.
Con el dispositivo según la invención es ahora
posible tratar pacientes por medio de una estimulación
multielectrodo (i) sin que tenga lugar entonces una adaptación a un
estímulo permanente antifisiológico, (ii) sin que sean necesarios
engorrosos procesos de calibración, (iii) aun cuando la componente
de frecuencia principal de la actividad patológicamente rítmica
esté sometida a fuertes fluctuaciones. Se pueden aminorar o suprimir
así los efectos secundarios antes citados. El dispositivo según la
invención hace posible aprovechar intraoperativamente el efecto de
la estimulación desincronizante lograda para seleccionar el punto
diana más adecuado para el electrodo de profundidad. A este fin,
durante la implantación del electrodo de profundidad en la zona del
punto diana anatómicamente precalculado se realiza de antemano en
pasos milimétricos una estimulación de prueba con el dispositivo
según la invención. El punto diana en el que se puede lograr el
mejor efecto terapéutico se elige como punto diana para la
implantación permanente. Además, aparte de los trastornos antes
citados, que presentan a menudo una actividad persistente
patológicamente síncrona con una frecuencia relativamente
constante, se pueden tratar también trastornos en los que se produce
sólo en forma intermitente (presentándose con corta duración) una
actividad patológicamente síncrona. Una indicación principal es aquí
el tratamiento de epilépticos que (ya) no pueden tratarse por vía
medicamentosa. El dispositivo según la invención puede producir una
desincronización, por ejemplo, en las enfermedades consistentes en
enfermedad de Parkinson, tremor esencial, distonía, epilepsia y
trastornos obsesivo-compulsivos.
El dispositivo según la invención trabaja
ahorrando corriente, de modo que es más raro que tengan que
cambiarse las baterías implantadas en el paciente.
En las reivindicaciones subordinadas se indican
perfeccionamientos ventajosos de la invención.
Las figuras muestran formas de realización a
título de ejemplo de la invención.
Muestran:
La figura 1, un dispositivo según la
invención,
La figura 2a, la evolución temporal de la
amplitud del potencial de campo local medido por un sensor 3 durante
la temporización controlada según las necesidades,
La figura 2b, la evolución temporal del modelo
de descarga de las células nerviosas medido por el sensor 3 durante
la temporización controlada según las necesidades,
La figura 3a, la evolución temporal de la
amplitud del potencial de campo local medido por el sensor 3 durante
una aplicación recurrente con intensidad de estímulo controlada
según las necesidades,
La figura 3b, la evolución temporal del modelo
de descarga de las células nerviosas medido por el sensor 3 durante
una aplicación recurrente con intensidad de estímulo controlada
según las necesidades,
Las figuras 4a-d, un ejemplo de
una aplicación de estímulos con cuatro electrodos y
Las figuras 5a-d, un ejemplo de
una aplicación temporalmente desfasada de trenes de impulsos
idénticos de alta frecuencia por medio de cuatro electrodos.
El dispositivo según la figura 1 comprende un
amplificador de separación 1 al que están conectados al menos dos
electrodos 2 y sensores 3 para captar señales de medida
fisiológicas. El amplificador de separación está unido también con
una unidad 4 de procesamiento de señales y control, la cual está
conectada a un emisor óptico 5 de estimulación. El emisor óptico 5
está unido a través de fibras ópticas 6 con un receptor óptico 7 que
está unido con una unidad estimuladora 8 para la generación de
señales. La unidad estimuladora 8 para la generación de señales
está unida con al menos dos electrodos 2. En la zona de entrada de
los electrodos 2 en el amplificador de separación 1 se encuentra un
relé 9 o un transistor. La unidad 4 está unida, a través de una
línea 10, con un emisor de telemetría 11 que está unido con un
receptor de telemetría 12 que se encuentra por fuera del
instrumento a implantar y al que está conectado un medio 13 de
visualización, procesamiento y almacenamiento de los datos. Como
sensores 3 pueden utilizarse, por ejemplo, electrodos epicorticales,
electrodos de profundidad, electrodos cerebrales o electrodos
periféricos.
Los electrodos 2 consisten cada uno de ellos en
al menos dos alambres a cuyos extremos se aplica una diferencia de
potencial con fines de estimulación. Puede tratarse aquí de
macroelectrodos o microelectrodos. Como alternativa, los electrodos
2 pueden consistir también en sendos alambres individuales. En este
caso se aplica con fines de estimulación una respectiva diferencia
de potencial entre un alambre individual y la parte metálica de la
carcasa del generador. Además, pero sin ser forzoso, se puede medir
una diferencia de potencial a través de los electrodos 2 para
detectar una actividad patológica. En otra forma de realización los
electrodos 2 pueden consistir también en más de dos alambres
individuales que pueden aprovecharse tanto para la obtención de una
señal de medida en el cerebro como para la estimulación. Por
ejemplo, cuatro alambres pueden estar alojados en un cable
conductor, pudiendo aplicarse o medirse una diferencia de potencial
entre extremos diferentes. Se puede variar así el tamaño de la
región diana derivada o estimulada. El número de alambres con el que
está hecho el electrodo está limitado hacia valores superiores
únicamente por el espesor inherente del cable que ha de
introducirse en el cerebro, de modo que se deberá dañar la menor
cantidad posible de material cerebral. Los electrodos usuales en el
mercando comprenden cuatro alambres, pero pueden estar comprendidos
también cinco, seis o más alambres o bien sólo tres alambres.
En caso de que los electrodos 2 comprendan más
de dos alambres, al menos dos de estos electrodos pueden funcionar
también como sensor 3, de modo que en este caso especial se presenta
una forma de realización en la que los electrodos 2 y el sensor 3
están reunidos en un único componente. Los alambres de los
electrodos 2 pueden tener longitudes diferentes, de modo que éstos
puedan penetrar a profundidades diferentes en el cerebro. Cuando
los electrodos 2 constan de n alambres, se puede efectuar entonces
una estimulación a través de al menos un par de alambres, siendo
posible cualquier subcombinación de alambres para la formación de
pares. Aparte de este componente, pueden estar presentes, además,
unos sensores 3 no reunidos constructivamente con los electrodos
2.
Según la invención, el dispositivo está equipado
con medios que reconocen como patológicas las señales de los
electrodos 2 y/o de los sensores 3 y, en el caso de la presencia de
un patrón patológico, emiten a través de los electrodos 2 unos
estímulos que hacen que experimente una reposición la actividad
neuronal patológica en las subpoblaciones estimuladas por los
distintos electrodos 2, con lo que se desincroniza la actividad
neuronal de la población total y, por tanto, se aproxima aquélla a
la actividad fisiológica natural. La actividad patológica se
diferencia de la actividad sana por una variación característica de
su patrón y/o de su amplitud y/o de su contenido en frecuencia.
Los medios para reconocer el patrón patológico
son aquí un ordenador que procesa las señales medidas de los
electrodos 2 y/o del sensor 3 y las compara con datos almacenados en
el ordenador. El ordenador dispone de un soporte de datos que
almacena datos. Éstos pueden obtenerse en el marco del calibrado y/o
del control según la sección 5. Por tanto, el dispositivo según la
invención comprende en una forma de realización posible, como
unidad 4 de procesamiento de señales y/o control/regulación, un
ordenador que incluye un soporte de datos que lleva los datos del
cuadro clínico de la enfermedad y los compara con los datos de
medida. Por los datos del cuadro de la enfermedad se entienden
parámetros y magnitudes de medida relevantes para la estimulación,
por ejemplo la frecuencia momentánea de la señal de realimentación
medida por el sensor 3, el valor umbral necesario para el modo de
procedimiento de la temporización controlada según las necesidades y
los parámetros de estimulación que fijan la intensidad del
estímulo, por ejemplo la amplitud y el número de impulsos
individuales de un tren de impulsos de alta frecuencia. En
conjunto, se deberán almacenar todos los parámetros relevantes para
el respectivo modo de procedimiento del dispositivo según la
invención y correspondientes a la naturaleza y la intensidad de los
estímulos, como también sus distancias temporales, así como la
información sobre la aplicación específica de los electrodos y
también los valores de medida relevantes para los modos de
funcionamiento controlados según sus necesidades, obtenidos a
través del sensor 3, o bien los parámetros derivados de estos
valores de medida. En función de la aparición y la expresión de
características patológicas en la señal de realimentación se envía
una señal de estimulación a los electrodos 2 en la forma de
realización de la temporización descrita en la sección 4.3. y
controladas según las necesidades, con lo que se produce una
estimulación del tejido cerebral. El dispositivo según la invención
cuenta con medios para reconocer la aparición y/o la expresión de
las características patológicas en la señal de realimentación medida
por medio del sensor 3. La unidad de control 4 está programada de
modo que en la forma de realización de la temporización descrita en
la sección 4.3. se genere, por un lado, una señal de estimulación
por parte de la unidad de control 4 y se entregue esta señal a los
electrodos 2. La unidad de control 4 está programada de modo que en
la forma de realización de la estimulación periódica descrita en la
sección 4.4. con una intensidad de estimulación controlada según
las necesidades se genere en instantes determinados por la unidad de
control 4, preferiblemente en instantes periódicamente
consecutivos, una señal de estimulación con una intensidad calculada
por la unidad de control 4 y se entregue esta señal a los
electrodos 2. En una forma de realización menos preferida el sistema
de control trabaja sin control según las necesidades, es decir, sin
control de realimentación, y genera, como se describe en la sección
4.2., unas señales de estimulación que se entregan a los electrodos
2.
La unidad de control 4 puede comprender, por
ejemplo, un chip u otro dispositivo electrónico con potencia de
cálculo comparable.
La unidad de control 4 activa los electrodos 2
preferiblemente de la manera siguiente. Los datos de control son
retransmitidos por la unidad de control 4 a un emisor óptico 5 de
estimulación, el cual activa el receptor óptico 7 a través del
conductor óptico 6. Mediante el acoplamiento óptico de señales de
control con el receptor óptico 7 se produce un desacoplamiento
galvánico entre el sistema de control de estimulación y los
electrodos 2. Esto significa que se impide una dispersión de
señales parásitas desde la unidad 4 de procesamiento de señal y
control hasta los electrodos 2. Como receptor óptico entra en
consideración, por ejemplo, una fotocélula. El receptor óptico 7
retransmite a la unidad estimuladora 8 las señales ingresadas a
través del emisor óptico 5 de estimulación. A través de la unidad
estimuladora 8 se retransmiten después estímulos deliberados a la
región diana del cerebro a través de los electrodos 2. En caso de
que se mida también a través de los electrodos 2, se controla
igualmente un relé 9 a través del receptor óptico 7 a partir del
emisor óptico 5 de estimulación, con lo que se impide la dispersión
de señales parásitas. El relé 9 o el transistor asegura que se pueda
medir de nuevo la actividad neuronal inmediatamente después de cada
estímulo sin que se sobreexcite el amplificador de separación. El
desacoplamiento galvánico no tiene que producirse forzosamente por
medio de un acoplamiento óptico de las señales de control, sino que
más bien pueden emplearse igualmente otros sistemas de control
alternativos. Éstos pueden ser, por ejemplo, acoplamientos
acústicos, por ejemplo en el dominio de los ultrasonidos. Se puede
materializar también un control exento de perturbaciones, por
ejemplo con ayuda de filtros analógicos o digitales adecuados.
Asimismo, el dispositivo según la invención está
unido preferiblemente, a través del receptor de telemetría 12, con
medios 13 de visualización y procesamiento de las señales, así como
de securización de datos. En este caso, la unidad 13 puede disponer
de los procedimientos de análisis de datos que se mencionan más
abajo.
Asimismo, el dispositivo según la invención
puede estar unido, a través del receptor de telemetría 13, con un
banco de datos de referencia adicional para vigilar, por ejemplo, el
correcto funcionamiento del instrumento y eventualmente configurar
de manera más eficiente los mecanismos de control descritos en la
sección 5.1.2. por modificación de los parámetros. Por ejemplo,
como se describe en la sección 5.1.2.2.2.1., se puede aumentar o
reducir el número mínimo de impulsos individuales de un tren de
impulsos de alta frecuencia para aumentar o disminuir la intensidad
de la acción desincronizante de la estimulación.
En las figuras 2a, b las abscisas designan los
ejes de tiempo en segundos, mientras que en las ordenadas se han
registrado las amplitudes del potencial de campo local (figura 2a) y
del patrón de descarga neuronal (figura 2b), en cada caso en
unidades arbitrarias. La amplitud del potencial de campo local
(figura 2a) medido a través del sensor 3 sirve como señal de
realimentación para la temporización controlada según las
necesidades. Siempre y cuando se alcance un umbral de la señal de
realimentación, se efectúa la estimulación siguiente con el mismo
estímulo. Las rayas verticales simbolizan el comienzo y el final del
estímulo aplicado a través de cuatro electrodos 2. Este último está
representado en las figuras 4a-d y consta de dos
pares temporalmente desfasados de trenes de impulsos de alta
frecuencia. Cada par consta de dos trenes de impulsos de alta
frecuencia de diferente polaridad. Las dos barras colocadas entre
las rayas verticales en las figuras 2a, b simbolizan los dos pares
de trenes de impulsos de alta frecuencia: La barra superior
corresponde al par representado en las figuras 4a, b y la barra
inferior pertenece al par mostrado en las figuras 4c, d.
En las figuras 3a, b las abscisas designan los
ejes de tiempo en segundos, mientras que en las ordenadas se han
registrado en unidades arbitrarias la amplitud del potencial de
campo local (figura 3a) y el patrón de descarga neuronal (figura
3b). La amplitud del potencial de campo local (3a) medido por medio
del sensor 3 sirve como señal de realimentación para la aplicación
periódica con intensidad de estimulación controlada según las
necesidades. Los trenes de impulsos de alta frecuencia representados
en las figuras 4a-d se aplican periódicamente,
siendo idéntica la longitud de los cuatro trenes de impulsos de alta
frecuencia dentro de un impulso total administrado a través de los
cuatro electrodos 2 y adaptándose esta longitud al potencial de
campo medido antes de la aplicación de la estimulación. Las rayas
verticales simbolizan el comienzo y el final del estímulo aplicado
a través de cuatro electrodos 2. Este último está representado en
las figuras 4a-d y consta de dos pares
temporalmente desfasados de trenes de impulsos de alta frecuencia.
Cada par consta de dos trenes de impulsos de alta frecuencia de
diferente polaridad. Las dos barras colocadas entre las rayas
verticales en las figuras 3a, b simbolizan los dos pares de trenes
de impulsos de alta frecuencia: La barra superior corresponde al
par representado en las figuras 4a, b y la barra inferior pertenece
al par mostrado en las figuras 4c, d. La longitud de los trenes de
impulsos de alta frecuencia elegida en forma controlada según las
necesidades se simboliza por medio de la longitud de las barras
superior e inferior en las figuras 3a, b.
En las figuras 4a-d la abscisa
es el eje de tiempo en segundos, mientras que en la ordenada se
representa en unidades arbitrarias la intensidad de los impulsos
individuales, por ejemplo en el sentido de la corriente aplicada.
Para una mejor visualización, se han rellenado de negro los impulsos
individuales. A través de los dos primeros electrodos 2 se aplica
el mismo tren de impulsos de alta frecuencia, pero con diferente
polaridad (figuras 4a, b). El mismo par de trenes de impulsos de
alta frecuencia se aplica con retardo temporal a través de los
electrodos tercero y cuarto 2 (figuras 4c, d).
En las figuras 5a-d la abscisa
es el eje de tiempo en segundos, mientras que en la ordenada se
representa en unidades arbitrarias la intensidad de los impulsos
individuales, por ejemplo en el sentido de la corriente aplicada.
Para una mejor visualización, se han rellenado de negro los impulsos
individuales. A través de los dos primeros electrodos 2 se aplica
el mismo tren de impulsos de alta frecuencia con la misma polaridad
(figuras 5a, b). El mismo par de trenes de impulsos de alta
frecuencia se aplica con retardo temporal a través de los
electrodos tercero y cuarto 2 (figuras
5c, d).
5c, d).
En lo que sigue se explicarán a título de
ejemplo el dispositivo según la invención y su funcionamiento.
El dispositivo según la invención y el sistema
de control están equipados con medios que pueden realizar todos los
pasos del procedimiento de tratamiento según la invención. Por
tanto, con los pasos de procedimiento revelados deberán quedar
implícitamente revelados también los medios para la puesta en
práctica del paso del procedimiento. En consecuencia, los pasos del
procedimiento representan también simultáneamente las
características funcionalizadas del dispositivo.
Según la invención, se incorporan los electrodos
en la región del cerebro que es responsable de la formación del
cuadro clínico. Directamente en la región o en una o varias
poblaciones de células nerviosas o haces de fibras nerviosas unidos
con esta región se introducen según la invención al menos dos
electrodos, preferiblemente cuatro electrodos, pero también tres o
más electrodos. El número de electrodos está limitado únicamente por
el hecho de que en una región cerebral no deberá estar presente
ninguna densidad arbitrariamente elevada de electrodos para que el
tejido no resulte innecesariamente dañado y, sobre todo, se aminore
el riesgo de hemorragia al introducir los electrodos. En cualquier
caso, el número de electrodos introducidos en la región deberá ser
N, siendo N \geq 2. Cada electrodo emite aquí en su ambiente una
señal que, propagada directamente en su entorno o a través de un
haz de fibras nerviosas, provoca en otro areal una reposición de la
actividad neuronal. Las señales de electrodo capacitadas para una
reposición son conocidas del experto, pudiendo citarse, a título de
ejemplo, impulsos individuales o trenes de impulsos de alta
frecuencia con una cadencia de pulsación de más de 100 Hz. Por
tanto, el dispositivo según la invención dispone de un sistema de
control que activa al menos dos electrodos 2 de modo que éstos
produzcan una reposición en su entorno más cercano y/o, por
retransmisión de la estimulación a través de un haz de fibras, en
otro areal del cerebro.
Según la invención, se activan preferiblemente N
electrodos, siendo N \geq 2, de modo que se presente un desfase
temporal de T/N entre las distintas señales de electrodo, siempre
que los electrodos estimulantes 2 se encuentren en el areal que se
debe desincronizar. T es aquí, como se describe más abajo, el
período de la actividad rítmica que se debe desincronizar. En caso
de que al menos uno de los electrodos estimulantes 2 no se
encuentre en el areal que se debe desincronizar, hay que tener en
cuenta para la activación de tal electrodo 2 el tiempo de
propagación entre el lugar de estimulación y el lugar de ubicación
de la población de neuronas influenciada por ello. Esto se describe
en la sección 5.2. Por consiguiente, el dispositivo según la
invención cuenta con un sistema de control que, con N electrodos,
genera preferiblemente una señal de reposición temporalmente
desplazada en sustancialmente una N-ésima parte del período de la
actividad que se debe desincronizar. El desfase temporal es aquí de
preferencia sustancialmente equidistante. Por desfase se entiende
aquí la diferencia entre las fases de la actividad rítmica a
desincronizar influenciada por los diferentes electrodos 2.
Sorprendentemente, con esta reposición equidistantemente desfasada
de la respectiva población de neuronas influenciada por los N
electrodos 2 se produce en conjunto una desincronización de toda la
población de neuronas que se debe desincronizar, lo que va
acompañado de una supresión de los síntomas patológicos. Cuando al
menos un electrodo 2 se encuentra por fuera del areal que se debe
desincronizar, se han de tener en cuenta entonces efectos de la
estimulación indirecta como los que se describen en la sección 3.2.
Esto se explica con detalle en la secciones 3.3., 3.4. y 5.
Con el nuevo procedimiento/el nuevo dispositivo
se logra cualitativamente de manera diferente la desincronización
en comparación con el estado de la técnica anteriormente citado. En
lugar de atacar deliberadamente a la agrupación de células
nerviosas patológicamente síncrona en una fase vulnerable de su
ritmo, se estimula simplemente la agrupación de células nerviosas
afectada en varios lugares, con coordinación temporal, de una manera
tal que se presente una desincronización. En este caso, se pueden
emplear en los distintos lugares de estimulación unos impulsos
individuales eléctricos, secuencias de estimulación de baja
frecuencia o secuencias de estimulación de alta frecuencia. Se
tiene que estimular en al menos dos lugares de estimulación,
preferiblemente en más de dos lugares de estimulación. Si se
estimula en N lugares de estimulación, se distribuye toda la
población de células nerviosas a desincronizar en N (en el ciclo de
fase) subpoblaciones sustancialmente equidistantes. Esto quiere
decir que las fases de la actividad neuronal de las subpoblaciones
se siguen una a otra en pasos sustancialmente equidistantes de
2\pi/N. 2\pi es aquí la longitud de un período que se designa
más arriba también como ciclo de fase. Se aprovecha a este respecto
el hecho de que, debido a la interacción patológicamente
incrementada entre las neuronas, se produce entonces una
desincronización. Se aprovecha aquí un proceso de autoorganización
sorprendentemente existente que es responsable de la sincronización
patológica. Este proceso hace que siga una desincronización a una
división equidistante en subpoblaciones, es decir, a una
subdivisión de una población total en subpoblaciones cuyas fases
están distribuidas de manera equidistante. En contraste con esto,
sin interacciones patológicamente incrementadas no se produciría
ninguna desincronización. Expresado gráficamente, se aprovecha la
energía del sistema a influenciar para lograr un efecto terapéutico
con una intervención mínima. Una división equivalente en
subpoblaciones se puede lograr de manera mucho más sencilla que una
desincronización completa con los métodos descritos en el estado de
la técnica. Se logran los mejores resultados cuando se aplica un
desfase equivalente o un desfase sustancialmente equivalente de los
estímulos de reposición de fase. Ahora bien, se siguen logrando
resultados de tratamiento satisfactorios cuando los estímulos
entregados a través de los electrodos 2 hacen que las fases de la
subpoblación estimulada sean desplazadas al menos parcialmente una
respecto de otra. Sin embargo, los resultados de tratamiento
resultan tanto mejores cuanto más se aproxime el desfase logrado a
un desfase equivalente.
El objetivo de la estimulación es contrarrestar
por desincronización una sincronización existente originada por una
enfermedad en una población de células nerviosas. A este fin, se
influye sobre la población de células nerviosas a desincronizar en
al menos dos sitios por medio de la estimulación desfasada según la
invención en lugares diferentes del cerebro de modo que se formen
pasajeramente al menos dos subpoblaciones de toda la población de
células nerviosas. Debido a la interacción patológica entre las
células nerviosas, el estado generado por la estimulación con al
menos dos subpoblaciones es inestable y la población total de
células nerviosas se aproxima muy rápidamente a un estado de
desincronización completa. Por tanto, el estado deseado, es decir,
la desincronización completa, no está presente inmediatamente
después de la aplicación de un estímulo, sino que, condicionado por
la enfermedad, se ajusta a menudo típicamente durante unos pocos
períodos, frecuentemente en menos de un período. Con los métodos de
desincronización descritos según el estado de la técnica la
población de células nerviosas a desincronizar es llevada
directamente a un estado desincronizado. Sin embargo, esto se logra
solamente con una elección adecuada de los parámetros de
estimulación, teniendo que estar éstos calibrados con precisión y
presentando tan sólo una pequeña tolerancia de error. Por el
contrario, el dispositivo según la invención estimula la población
de células nerviosas a desincronizar de una manera cualitativamente
diferente: Mediante la estimulación temporal coordinada de
subpoblaciones se escinde la población de células nerviosas a
desincronizar en al menos dos subpoblaciones. Este proceso funciona
para un intervalo grande de los parámetros de estimulación
modificables, no necesita ninguna compleja calibración y dispone de
una gran tolerancia de error. El motivo de ello reside en que, a
diferencia del estado de la técnica descrito en la parte de
introducción de la memoria, no tiene que atacarse a una fase
vulnerable que corresponde aproximadamente a un 5% de un período
del ritmo que se debe desincronizar. Por el contrario, la
estimulación actúa con independencia del estado inicial
dinámico.
Como estímulo individual se designa en lo que
sigue un estímulo que se aplica a través de un electrodo individual
2. En contraste con esto, en lo que sigue se entiende por un impulso
individual un estímulo monofásico o bifásico individual en forma de
impulso. Un impulso individual puede ser administrado como estímulo
individual o puede ser parte de un tren de impulsos de alta
frecuencia o de baja frecuencia.
Para la estimulación temporalmente coordinada a
través de al menos dos electrodos se emplean, por ejemplo, los
siguientes estímulos individuales conocidos del experto:
- a)
- un impulso individual monofásico o bifásico eléctrico,
- b)
- trenes de impulsos eléctricos de alta frecuencia con una cadencia de pulsación de preferiblemente más de 100 Hz, pudiendo ser los estímulos individuales del tren de impulsos unos impulsos individuales monofásicos o bifásicos,
- c)
- trenes de impulsos eléctricos de baja frecuencia, en cuyo caso, con una cadencia de pulsación f del orden de magnitud de la frecuencia g del ritmo a desincronizar, se aplican impulsos individuales monofásicos o bifásicos o un corto tren de impulsos de alta frecuencia constituido por unos pocos - preferiblemente 1 a 20 - impulsos individuales monofásicos o bifásicos. En este caso, la frecuencia de la cadencia de pulsación del tren de impulsos de baja frecuencia viene dada de preferencia sustancialmente por la relación f/g = n/m, en donde n y m son pequeños números enteros, preferiblemente 1, 2 ó 3,
- d)
- aparte de la secuencia sustancialmente periódica de los impulsos individuales en un tren de impulsos de alta frecuencia o en un tren de impulsos de baja frecuencia que se ha descrito en los apartados b) y c), se pueden variar también estocásticamente y/o determinísticamente los momentos de aplicación de los impulsos individuales en un tren de impulsos.
Por estimulación temporalmente coordinada se
entiende aquí que los estímulos individuales se aplican a través
del respectivo electrodo 2 en respectivos momentos adecuados,
posiblemente diferentes - como se describe en la sección 4.1. -,
para generar diferencias de fase favorables para la acción
terapéutica entre las subpoblaciones estimuladas de la población de
neuronas que se debe desincronizar. A este fin, el dispositivo
según la invención cuenta con medios que aplican los impulsos
individuales monofásicos y/o bifásicos eléctricos descritos y/o los
trenes de impulsos eléctricos de alta frecuencia y/o los trenes de
impulsos eléctricos de baja frecuencia de la naturaleza descrita.
Los medios son unos electrodos 2 y una unidad de control 4 que
entrega señales de control a los electrodos 2 para la emisión de
estos estímulos.
Como estímulo total se designan los estímulos
individuales aplicados a través de los electrodos 2 y que, según el
mecanismo de acción del dispositivo conforme a la invención,
provocan una desincronización en la población de neuronas que se
debe desincronizar. En las figuras 4a-d y
5a-d se muestran ejemplos de estímulos totales. En
el marco de un estímulo total se emite preferiblemente un estímulo
individual a través de cada electrodo.
En aplicaciones repetitivas de estímulos totales
se pueden variar los electrodos 2 activados en el marco de un
estímulo total. En particular, por medio de un algoritmo estocástico
y/o determinístico se puede seleccionar la cantidad parcial de
electrodos 2 que se activan con el respectivo estímulo total.
El número de electrodos es el resultado de un
compromiso entre dos aspiraciones contrapuestas:
Por un lado, la población de neuronas a
desincronizar deberá dividirse por efecto de la estimulación en el
mayor número posible de subpoblaciones funcionales. Esto se
desarrolla tanto mejor cuantos más electrodos se empleen para la
estimulación. Por otro lado, el número de electrodos a implantar
deberá mantenerse lo más pequeño posible para prevenir daños
innecesarios en el tejido y sobre todo una hemorragia cerebral
durante la implantación. Se pueden utilizar, por ejemplo, al menos
dos electrodos. Se pueden emplear también tres electrodos. Se
prefiere especialmente el empleo de cuatro electrodos, ya que la
desincronización actúa de manera más marcada y durante más tiempo
en el caso de cuatro electrodos. Con el aumento del número de
electrodos a, por ejemplo, cinco, seis, siete, ocho, nueve hasta
cien y más se mejora el efecto de desincronización respecto de la
expresión y la duración. El empleo de un número mayor de electrodos,
como, por ejemplo, cien electrodos, puede materializarse únicamente
cuando se empleen microelectrodos o modernas tecnologías de
neurochips.
En lo que sigue se entiende por la población
diana la población de células nerviosas directamente estimuladas
por un electrodo implantado.
Una población diana es estimulada directamente
por un electrodo implantado en ella o cerca de ella.
La población de células nerviosas que tiene una
actividad patológicamente síncrona se designa como areal a
desincronizar o como población de células nerviosas a desincronizar
o como población de neuronas a desincronizar. Esta última no está
ligada a límites anatómicos. Por el contrario, se puede entender por
ello también al menos una componente consistente en el grupo de
- -
- al menos una parte de al menos un areal anatómico,
- -
- al menos un areal anatómico completo.
El areal a desincronizar puede ser estimulado
directa o indirectamente.
Estimulación directa a través de un electrodo de
estimulación 2: En este caso, el electrodo de estimulación 2 se
encuentra en el areal que debe desincronizarse. Este electrodo 2
influye entonces sobre la población diana que se encuentra en el
areal que debe desincronizarse.
Estimulación indirecta a través de un electrodo
de estimulación 2: En este caso, el areal que se debe desincronizar
no es estimulado directamente por medio de un electrodo 2. Por el
contrario, se estimula a través del electrodo de estimulación 2 una
población diana o un haz de fibras que están estrechamente unidos en
el aspecto funcional con el areal que se debe desincronizar. En
este caso, el efecto de estimulación se propaga al areal que se
debe desincronizar, preferiblemente a través de uniones anatómicas.
Para la estimulación indirecta se introducirá el término areal
diana como concepto genérico para población diana y haz de fibras.
Por el término areal diana deberán entenderse en lo que sigue la
población de neuronas estrechamente unida en el aspecto funcional
con el areal a desincronizar y el haz de fibras de unión.
En el mecanismo de estimulación según la
invención se realiza la estimulación a través de los distintos
electrodos 2, en momentos determinados típicamente diferentes,
dentro de un período de la actividad oscilatoria en la población de
neuronas que se debe desincronizar. Los espacios de tiempo entre
estos estímulos individuales se indican como fracciones del período
de la actividad oscilatoria a desincronizar y ascienden de
preferencia sustancialmente a una N-ésima parte del período, siendo
N un número entero pequeño, por ejemplo 4. N es aquí un número
entero, preferiblemente por debajo de 1000, de manera especialmente
preferida inferior a 100 y especialmente inferior a 10. El período
de la actividad oscilatoria a desincronizar, el cual sirve como
referencia temporal para la aplicación de los estímulos
individuales, se designa en lo que sigue como período de
estimulación T. El término de período de estimulación T es central
para el funcionamiento según la invención, ya que con el
procedimiento descrito en la sección 5.1.2.2.2. no tiene que
ajustarse el período de estimulación T por calibración ni tampoco
tiene que adaptarse este período por medición durante la operación
de estimulación, sino que por el contrario, se impone forzosamente
dicho período a la población de neuronas que se debe de
sincronizar.
Por un ritmo se entiende la actividad neuronal
rítmica, es decir, casi periódica, la cual resulta como consecuencia
de una actividad síncrona de células nerviosas hiperincrementada
por motivos patológicos. Un ritmo puede presentarse por breve
tiempo o ser de larga duración.
Por una reposición de una población de neuronas
se entiende la reposición, es decir, la reposición de fase, de la
actividad oscilatoria de esta población de neuronas.
Los N electrodos deberán estar dispuestos
preferiblemente de modo que con cada electrodo individual se pueda
estimular aproximadamente una N-ésima parte de la población de
células nerviosas a desincronizar. Esto puede materializarse con un
número diferente de electrodos y con una disposición geométrica
diferente entre los electrodos. Se puede elegir, por ejemplo, una
disposición asimétrica cualquiera. Sin embargo, se prefieren
disposiciones sustancialmente simétricas, ya que en éstas se hace
posible la división funcional condicionada por la estimulación en
subpoblaciones con la mínima aportación de corriente. A título de
ejemplo, los puntos extremos de los electrodos, proyectados a lo
largo de estos electrodos, pueden dar como resultado
sustancialmente un cuadrado. Se pueden emplear también, por ejemplo,
seis electrodos. En este caso, cuatro electrodos están dispuestos
de preferencia en forma sustancialmente cuadrada en un plano,
mientras que los otros dos electrodos están situados
perpendicularmente a este plano en posiciones sustancialmente
equidistantes, formando su línea de unión sustancialmente el eje de
rotación de los cuatro electrodos dispuestos en forma de cuadrado.
Para materializar diferentes disposiciones geométricas, los
electrodos pueden presentar al menos en parte longitudes
diferentes.
En esta forma de estimulación se estimula en al
menos un areal diana diferente del areal a desincronizar. En este
caso, como se ha descrito en la sección 3.2., se puede realizar la
estimulación indirecta por estimulación de una población de
neuronas diferente de la población de células nerviosas a
desincronizar y/o por estimulación de un haz de fibras unido con la
población de células nerviosas a desintonizar. Se puede emplear aquí
en un areal diana, o en el areal a desincronizar, el al menos un
electrodo 2 o una disposición multielectrodo descrita en la sección
3.3.
En el marco de la aplicación de un estímulo se
aplica un estímulo individual a través de cada electrodo individual
2. El estímulo individual puede adoptar las formas descritas en la
sección 2.
Los estímulos individuales aplicados a través de
los diferentes electrodos 2 pueden ser diferentes respecto de su
naturaleza y/o aportación de energía, pero no tienen que serlo. A
este fin, el dispositivo según la invención cuenta con una unidad
de control que está programada de modo que ésta pueda variar la
naturaleza y/ la aportación de energía de los estímulos
individuales.
Los estímulos individuales aplicados con
aplicación repetida de un estímulo a través de un electrodo
individual 2 pueden variar respecto de la naturaleza y/o la
aportación de energía, pero no tienen que hacerlo.
Por ejemplo, con una estimulación directa a
través de N electrodos 2 se puede aplicar cada vez el mismo
estímulo individual con un retardo de tiempo de T/N en cada caso,
siendo T el período de estimulación. Por ejemplo, para N = 4 se
puede administrar sucesivamente el mismo estímulo individual a
intervalos temporales de T/4 cada uno a través de los electrodos
primero, segundo, tercero y cuarto 2, tal como se representa en las
figuras 5a-d. A este fin, el dispositivo según la
invención cuenta con una unidad de control que está programada para
que ésta active N electrodos 2 con un retardo de tiempo de
sustancialmente T/N para realizar la aplicación de estímulos
individuales.
Como alternativa a esto, se tiene que, por
ejemplo, especialmente con la temporización controlada según las
necesidades que se ha descrito en la sección 4.1., la sucesión de
los estímulos individuales dentro de un estímulo total se puede
variar sistemáticamente o bajo control aleatorio, es decir, según
una regla determinística o estocástica. A este fin, el dispositivo
según la invención cuenta con una unidad de control que está
programada de modo que ésta activa de forma determinística y/o
estocástica la sucesión de los estímulos individuales dentro de un
estímulo total.
Variando la sucesión de los estímulos
individuales dentro del estímulo total se pueden prevenir procesos
de adaptación en las poblaciones de neuronas que provoquen un
aumento de la intensidad de estimulación para alcanzar el mismo
efecto terapéutico.
Como otra posibilidad adicional, se pueden
sustituir retardos de tiempo en la aplicación de estímulos por un
cambio de la polaridad de los estímulos individuales. A este fin, el
dispositivo según la invención cuenta con una unidad de control que
está programada para que ésta pueda controlar al menos uno de los
electrodos 2 con respectiva polaridad cambiante. Por ejemplo, para
N = 4 se pueden aplicar a través de los electrodos primero y
segundo 2 y, después de un retardo de tiempo de T/4, a través de los
electrodos tercero y cuarto 2 sendos pares de impulsos individuales
monofásicos o bifásicos de polaridad contraria, tal como se muestra
en las figuras 4a-d para los impulsos individuales
monofásicos.
\vskip1.000000\baselineskip
Los estímulos totales descritos en el apartado
4.1. pueden aplicarse de manera no controlada según las necesidades
en una forma de realización sumamente sencilla. En este caso, estos
estímulos totales pueden administrarse de forma estrictamente
periódica en el tiempo o de forma no periódica en el tiempo. En esta
forma de realización el dispositivo según la invención cuenta con
una unidad de control que está programada para que ésta haga
posible una aplicación de los impulsos totales que no esté
controlada según las necesidades. La unidad de control está
programada entonces de modo que esté en condiciones de activar
impulsos totales de manera periódica y/o no periódica. Se puede
generar una secuencia de impulsos totales no periódica en el tiempo
por medio de un proceso estocástico o determinístico.
\vskip1.000000\baselineskip
Por temporización se designa aquí el patrón
temporal de aplicación de estímulos.
A través del sensor 3 se mide la señal de
realimentación que representa la actividad de la población de
neuronas a desincronizar. Esta señal de realimentación es
retransmitida a la unidad 4 de procesamiento de señal y/o
regulación, la cual funciona como un medio para reconocer una
característica patológica. Tan pronto como la unidad 4 de
procesamiento de señal y/o regulación reconoce una característica
patológica en la señal de realimentación, se aplica un estímulo.
Por una característica patológica han de entenderse, por ejemplo,
las propiedades siguientes de la señal de realimentación:
- a)
- La amplitud de la señal de realimentación sobrepasa un valor umbral. Por tanto, en una forma de realización preferida el dispositivo según la invención está equipado con medios para reconocer un valor umbral de la señal de realimentación. En este caso se compara preferiblemente la propia señal de realimentación o su valor absoluto o su amplitud con el valor umbral. El medio para reconocer el valor umbral puede estar programado en esta forma de realización de modo que compare, por ejemplo, la propia señal de realimentación y/o su valor absoluto y/o su amplitud con el valor umbral. La determinación de la amplitud se efectúa en una versión sencilla por medio de la determinación del valor absoluto de la señal o bien con filtrado de paso de banda y subsiguiente transformación de Hilbert o análisis de onditas. La unidad 4 de procesamiento de señal y/o regulación está programada en este caso de modo que pueda realizar una determinación del valor absoluto de la señal y/o una filtración de paso de banda con transformación de Hilbert y/o un análisis de onditas. Se emplea de manera especialmente preferida la señal de realimentación o su valor absoluto, ya que el cálculo de la amplitud significa un coste de cálculo netamente superior y la exactitud de este cálculo depende de la selección correcta de parámetros algorítmicos. Además, la determinación de la amplitud no puede realizarse sobre un valor de medida individual de la señal de realimentación, sino que tiene que realizarse en un intervalo de tiempo suficientemente grande conocido del experto. Debido a esta forma de análisis de la señal de realimentación en una ventana de tiempo flotante se retarda algo el reconocimiento de la característica patológica.
- Se ha de aplicar la modalidad de análisis de la forma de la señal de realimentación que se ha descrito en el apartado a) cuando la actividad patológica a desincronizar sea medida exclusiva o predominantemente a través del sensor 3.
- b)
- En caso de que, aparte de esta actividad, se mida adicionalmente a través del sensor 3 una actividad no específica de la enfermedad, por ejemplo proveniente de otras poblaciones de neuronas, se tiene que intercalar otro paso algorítmico en el análisis de la señal de realimentación. Dado que la actividad específica de la enfermedad se presenta típicamente en un dominio de frecuencia que es diferente del dominio de frecuencia de la actividad no específica de la enfermedad, es suficiente para esto realizar preferiblemente una estimación de la actividad en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad. La frecuencia de la actividad específica de la enfermedad se obtiene, por ejemplo, por medio de una determinación de la diferencia temporal de puntos de disparo consecutivos. Los puntos de disparo son puntos característicos, tales como máximos, mínimos, puntos de inflexión y pasos por cero. Preferiblemente, este análisis se realiza en una ventana de tiempo flotante, formándose el valor medio de varias diferencias temporales, con lo que se incrementa la estabilidad de la estimación de frecuencia. Como alternativa, la estimación de frecuencia puede determinarse también con los métodos de estimación espectral conocidos del experto y otros estimadores de frecuencia. A este fin, el dispositivo según la invención cuenta en una forma de realización especial con medios para estimar la actividad en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad, tales como métodos de estimación espectral, análisis de onditas, etc. Esto se materializa, por ejemplo, por medio de un análisis de frecuencia efectuado con medios concebidos para realizar un análisis de frecuencia. Se puede determinar, por ejemplo, la energía espectral en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad dentro de una ventana flotante. Como alternativa, después de una filtración de paso de banda se puede obtener la amplitud en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad por determinación del máximo de la señal filtrada en paso de banda o por determinación del valor medio del valor absoluto de la señal filtrada en paso de banda o con una transformación de Hilbert subsiguiente o por medio de análisis de onditas. A este fin, el dispositivo según la invención comprende, por ejemplo, medios para la filtración de paso de banda de la amplitud y medios para la determinación del máximo de la señal filtrada en paso de banda y/o medios para determinar el valor medio del valor absoluto de la señal filtrada en paso de banda y/o medios para realizar una transformación de Hilbert y/o un análisis de onditas.
- En la temporización controlada según las necesidades se emplea, por ejemplo, siempre el mismo estímulo. Preferiblemente, el período de estimulación T se adapta, como se describe en la sección 5.1.2.1., a la frecuencia momentánea de la población de neuronas que se debe desincronizar. Se aplica entonces, al presentarse la característica patológica, un impulso con un período de estimulación T adaptado a la frecuencia momentánea. La intensidad de este estímulo permanece entonces preferiblemente constante. Preferiblemente, como se describe en la sección 5.1.2.2.1., se modifica la intensidad según el efecto de estimulación.
\vskip1.000000\baselineskip
Se mide por medio del sensor 3 la señal de
realimentación, la cual representa la actividad de la población de
neuronas que se debe desincronizar. Se retransmite esta señal de
realimentación a la unidad 4 de procesamiento de señal y/o
regulación. La unidad 4 de procesamiento de señal y/o regulación
realiza una estimulación recurrente, preferiblemente periódica, en
la que la intensidad de los estímulos aplicados en el respectivo
momento depende de la expresión de la característica patológica en
la señal de realimentación. A este fin, se puede adaptar la
intensidad o la duración o - en caso de que se empleen trenes de
impulsos - el número de impulsos individuales del tren de impulsos
a la expresión de la característica patológica. En una ventana de
tiempo de longitud libremente seleccionable, preferiblemente
constante, que termina a una distancia de tiempo constante del
respectivo estímulo, se obtiene de la manera siguiente la expresión
de la característica patológica:
- a)
- En el caso en que se mida por medio del sensor 3, exclusiva o predominantemente, la actividad patológica que se debe desincronizar, la amplitud de la expresión corresponde a la sincronización en la población de neuronas que se debe desincronizar. Por tanto, la amplitud representa la característica patológica. La amplitud puede estimarse entonces mediante la determinación del máximo de la señal o mediante el valor medio del valor absoluto de la señal o con un filtrado de paso de banda con transformación de Hilbert subsiguiente o un análisis de onditas. Las dos primeras variantes (determinación del máximo de la señal o determinación de la media del valor absoluto de la señal) se emplean de manera especialmente preferida, ya que el cálculo de la amplitud por medio de la transformación de Hilbert o el análisis de onditas significa una inversión de cálculo netamente mayor y su precisión depende de la selección correcta de parámetros algorítmicos.
- b)
- En caso de que, aparte de medir la actividad específica de la enfermedad, se mida por medio del sensor 3 adicionalmente también una actividad no específica de la enfermedad, por ejemplo proveniente de otras poblaciones de neuronas, no se puede aplicar directamente la señal de realimentación para la estimación de la expresión de la característica patológica. Dado que la actividad específica de la enfermedad se presenta típicamente en un dominio de frecuencia que es diferente del dominio de frecuencia de la actividad no específica de la enfermedad, se realiza en este caso preferiblemente una estimación de la actividad en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad. Esto se materializa, por ejemplo, por medio de un análisis de frecuencia. Se puede determinar, por ejemplo, la energía espectral en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad. Como alternativa a esto, después de un filtrado de paso de banda se puede determinar la amplitud mediante la determinación del máximo de la señal filtrada en paso de banda o mediante la determinación de la media del valor absoluto de la señal o con una transformación de Hilbert subsiguiente o con un análisis de onditas.
\vskip1.000000\baselineskip
Por al menos dos motivos no existe una relación
unívoca entre la expresión de la característica patológica y la
expresión de los síntomas específicos de la enfermedad. Por un lado,
la distancia del sensor 3 al areal en el que se genera la señal de
realimentación condiciona la amplitud en el dominio de frecuencia
específico de la enfermedad. Por otro lado, una expresión
determinada de la característica específica de la enfermedad, es
decir, la expresión de la actividad rítmica en el dominio de
frecuencia específico de la enfermedad, no está unívocamente ligado
a los síntomas específicos de la enfermedad. Dado que el ritmo
específico de la enfermedad tiene repercusiones sobre redes
nerviosas complejas en el cerebro que, además, típicamente, no
obedecen a simples leyes dinámicas lineales, no se logran
relaciones unívocas entre ritmo específico de la enfermedad y
expresión de los síntomas. Cuando, por ejemplo, el ritmo específico
de la enfermedad no coincide en grado suficiente con la frecuencia
propia biomecánicamente prefijada de una extremidad, el tremor
condicionado por el ritmo específico de la enfermedad es netamente
más pequeño que cuando el ritmo específico de la enfermedad
coincide en resonancia con la frecuencia propia biomecánicamente
prefijada de la extremidad.
La actividad medida se encuentra en una capa del
sensor 3 que capta la señal de realimentación dentro de un
intervalo empírico conocido del experto. El valor de la expresión de
la característica específica de la enfermedad en la señal de
realimentación medida por el sensor 2 se designa como umbral, al
traspasarse el cual se produce típicamente la aparición de
síntomas, por ejemplo del tremor. El umbral es un parámetro que
tiene que elegirse para la forma de realización de la temporización
condicionada según las necesidades que se describe en la sección
4.3. Por tanto, el dispositivo según la invención comprende medios
para reconocer un valor umbral. Con el procedimiento de
temporización controlada según las necesidades conforme a la
invención se consigue la ventaja de que la eficacia del dispositivo
según la invención no dependa críticamente de la elección del
umbral, sino que se proporciona respecto de la elección del umbral
una gran tolerancia de error que está situada, por ejemplo, en un
rango de hasta un 50% de la expresión máxima de la característica
específica de la enfermedad. La elección del umbral se realiza por
vía intraoperativa o preferiblemente en los primeros días después de
la operación mediante una medición de la señal de realimentación
por medio del sensor 3, con determinación de la expresión de la
característica específica de la enfermedad y comparación con la
expresión de los síntomas, por ejemplo de la intensidad del
temblor.
En una forma de realización menos preferida de
la temporización controlada según las necesidades se toma como
umbral un valor representativo, por ejemplo el valor medio, de un
colectivo de valores umbral medidos en pacientes.
En la forma de realización - descrita en la
sección 4.4. - de la estimulación recurrente con intensidad de
estímulo controlada según las necesidades no es necesaria ninguna
detección de umbral.
El dominio de frecuencia de la actividad
neuronal patológica es conocido del experto para los respectivos
cuadros clínicos (Elble R. J. y Koller W. C. (1990): Tremor John
Hopkins University Press, Baltimore). Se puede tomar
preferiblemente el valor medio de este dominio de frecuencia. En vez
de esto, se puede emplear alternativamente el valor de la
frecuencia - tomado de un banco de datos - que cabe esperar
específicamente según la edad y el sexo.
Para el funcionamiento satisfactorio del
dispositivo según la invención es necesario que la frecuencia
inicialmente prefijada coincida con la frecuencia realmente
existente de la población de neuronas que se debe desincronizar. La
regulación del período de estimulación T descrita en 5.1.2.1.
funciona aun cuando se emplee un valor inicial fuertemente
diferente del valor de frecuencia correcto. Fuertemente diferente
significa aquí que el valor puede ser también demasiado grande o
demasiado pequeño en al menos un factor 10. Por tanto, como
alternativa, se puede empezar también preferiblemente con un valor
de frecuencia que esté dentro del dominio de frecuencia conocido
del experto y típico para la enfermedad.
Como valor de arranque para la frecuencia se
elige el valor medio de la frecuencia durante el funcionamiento
precedente del dispositivo.
En ambos casos, es decir, con y sin
funcionamiento previo del dispositivo, se calcula el período de
estimulación T como el valor inverso del valor de arranque de la
frecuencia.
Los valores de partida de los parámetros de
estimulación que determinan la intensidad de los estímulos
individuales (por ejemplo, longitud del tren de impulsos de alta
frecuencia, amplitud y duración de los impulsos individuales y
pausa entre los impulsos individuales) se fijan según los valores
empíricos conocidos del experto (por ejemplo, un tren de impulsos
de alta frecuencia con diez impulsos individuales, duración de los
impulsos individuales 60-200 \mus, cadencia de los
impulsos individuales 120 Hz, amplitud 4 V).
Por tanto, se pueden prefijar los valores
iniciales para frecuencia e intensidad y, especialmente, no se
tienen que determinar estos valores dentro del marco de una
calibración costosa en tiempo.
Los valores de partida de los parámetros de
estimulación que determinan la intensidad del estímulo máximo (por
ejemplo, longitud del tren de impulsos de alta frecuencia, amplitud
y duración de los impulsos individuales y pausa entre los impulsos
individuales) se fijan según los valores empíricos conocidos del
experto (por ejemplo, un tren de impulsos de alta frecuencia con
diez impulsos individuales, duración de los impulsos individuales
60-200 \mus, cadencia de los impulsos individuales
120 Hz, amplitud 4 V).
Los valores de partida de los parámetros de
estimulación que determinan la intensidad del estímulo mínimo (por
ejemplo, longitud del tren de impulsos de alta frecuencia, amplitud
y duración de los impulsos individuales y pausa entre los impulsos
individuales) se fijan según los valores empíricos conocidos del
experto (por ejemplo, un tren de impulsos de alta frecuencia con
tres impulsos individuales, duración de los impulsos individuales
60-200 \mus, cadencia de los impulsos individuales
120 Hz, amplitud 4 V).
En el areal diana o en un areal estrechamente
unido con éste se mide la señal de realimentación. Por ejemplo, en
la enfermedad de Parkinson se puede realizar, en lugar de una
medición a través de los electrodos de estimulación, una medición
de la actividad en un areal pospuesto, por ejemplo el córtex
promotor, a través de electrodos epicorticales. En una ventana de
tiempo con una longitud indicada más abajo se determina la
frecuencia media dominante. A este fin, se pueden emplear
algoritmos diferentes. Por ejemplo, se puede determinar la
frecuencia como el valor inverso del período momentáneo, viniendo
dado el período momentáneo por la diferencia temporal de dos
máximos subsiguientes de la señal de realimentación. En caso de que
no solamente se mida a través del sensor 3 una actividad específica
de la enfermedad, se tiene que extraer primero para esta clase de
estimación de frecuencia la actividad específica de la enfermedad
por medio de un filtrado de paso de banda del dominio de frecuencia
específico para la enfermedad. Como alternativa, se puede
determinar, por ejemplo, la frecuencia por medio de los estimadores
de frecuencia citados en la sección 4.3. El período de estimulación
T se fija como el valor inverso de la frecuencia media. La ventana
de tiempo empleada para esta estimación de frecuencia tiene una
longitud que puede estar abierta hacia valores superiores y que
corresponde, por ejemplo, a 10000 períodos, preferiblemente 1000
períodos y de manera especialmente preferida 100 períodos de la
actividad patológica, pero que corresponde también a otros valores
cualesquiera.
Cuando se sobrepasa un valor umbral de la señal
de realimentación, se efectúa la respectiva estimulación siguiente
con, preferiblemente, el mismo estímulo. A este fin, el dispositivo
según la invención dispone de un control que, tras reconocer el
valor umbral, entrega al menos una señal estimulante a los
electrodos 2. Si no se logra ningún efecto deseado, es decir que la
población diana no es desincronizada en medida suficiente y, por
tanto, la señal de realimentación no es desplazada hasta quedar
debajo del valor umbral, se aumenta lentamente la intensidad del
estímulo hasta un valor máximo rígidamente prefijado por motivos de
seguridad, por ejemplo 5 V (por ejemplo, en pasos de 0,5 V por cada
50 períodos). A este fin, el dispositivo según la invención dispone
de un control que reconoce una variación de la señal de
realimentación y que, al desaparecer la variación de la señal de
realimentación, adapta las señales estimulantes hacia valores
superiores. Después de aproximadamente 20 impulsos satisfactorios,
el dispositivo puede comenzar a regular lentamente el valor umbral
hacia arriba (por ejemplo, en pasos de 0,5 V por cada 200 períodos)
en tanto esté presente todavía el éxito de la estimulación. El
éxito de la estimulación se determina aquí de la manera que se ha
descrito en la sección 4.5. El sistema de control está aquí
programado de modo que reconozca la variación de la señal de
realimentación y, por tanto, el éxito de la estimulación.
Los espacios de tiempo entre los impulsos
individuales son sustancialmente múltiplos enteros del período de
estimulación T, es decir que el espacio de tiempo entre el comienzo
o preferiblemente el final de la aplicación de estímulos
temporalmente consecutivos viene dado por:
\vskip1.000000\baselineskip
Fórmula
1
t_{j+1}-t_{j}
=
N_{j}T
Se tiene en esta fórmula que t_{j} es el
instante del comienzo o preferiblemente del final del j-ésimo
estímulo. T es el período de estimulación y N_{j} es un número
entero. El espacio de tiempo dado por
t_{j+1}-t_{j} no tiene que corresponder
estrictamente a un múltiplo entero de T como se define en la fórmula
1, sino que puede venir dado también según
Fórmula
2
t_{j+1}-t_{j}
= N_{j}T+
x_{j}
en donde x_{j} es lo más pequeño
posible en comparación con el período de estimulación T. Por tanto,
el dispositivo según la invención comprende en una forma de
realización un sistema de control que entrega estímulos a los
electrodos 2 preferiblemente en espacios de tiempo que son
sustancialmente múltiplos enteros del período de estimulación
T.
En principio, son posibles aquí todas las
variaciones imaginables de intervalos temporales, pero se prefiere
una aplicación en esencia estrictamente periódica de los estímulos.
Esto quiere decir que la secuencia numérica dada por N_{1},
N_{2}, N_{3}, etc. es preferiblemente una secuencia numérica
constante, es decir que N_{j} = N para todos los valores
de
j = 1, 2, 3, etc. Sin embargo, la secuencia numérica dada por N_{1}, N_{2}, N_{3}, etc. puede desviarse también de una secuencia numérica constante. Por ejemplo, la secuencia numérica dada por N_{1}, N_{2}, N_{3}, etc. puede ser periódica, cuasiperiódica, caótica o estocástica.
j = 1, 2, 3, etc. Sin embargo, la secuencia numérica dada por N_{1}, N_{2}, N_{3}, etc. puede desviarse también de una secuencia numérica constante. Por ejemplo, la secuencia numérica dada por N_{1}, N_{2}, N_{3}, etc. puede ser periódica, cuasiperiódica, caótica o estocástica.
La intensidad del estímulo individual se adapta
con el sistema de control según la invención a la expresión de la
característica patológica de la señal de realimentación, por ejemplo
de la manera siguiente:
En una ventana de tiempo antes de la aplicación
del estímulo se estima la expresión de la característica patológica
de la señal de realimentación como se indica en la sección 4.4. A
este fin, se determina, por ejemplo, la amplitud de la actividad
oscilatoria en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad
por medio de un promediado del valor absoluto de la señal de
realimentación correspondientemente filtrada en paso bajo dentro de
una ventana de tiempo antes de la aplicación del estímulo. La
intensidad del estímulo empleado se determina por medio de la
expresión de la característica patológica descrita en la sección
4.4. Cuanto más fuertemente esté marcada la característica
patológica tanto más fuerte será el estímulo aplicado. Por tanto,
el sistema de control según la invención está programado en esta
forma de realización de modo que dicho sistema, al ascender la
señal de realimentación, aumenta la intensidad de la señal de
estímulo aplicada a los electrodos 2, es decir, la aportación de
energía. La relación entre la expresión de la característica y la
intensidad del estímulo puede ser lineal en el caso más sencillo,
pero también puede ofrecer una configuración más compleja, pudiendo
ser, por ejemplo, no lineal.
La intensidad del estímulo puede modificarse por
variación de parámetros de estimulación diferentes, como el número
de impulsos individuales en el tren de impulsos de alta frecuencia o
de baja frecuencia o la amplitud de los impulsos individuales o la
duración de los impulsos individuales. Preferiblemente, se modifica
el número de impulsos individuales en el tren de impulsos de alta
frecuencia.
El número de impulsos individuales en el tren de
impulsos de alta frecuencia que se aplica a través del k-ésimo
electrodo 2 en el marco del j-ésimo estímulo total se denomina
M^{(k)}_{j}.
La adaptación del número M^{(k)}_{j} puede
realizarse por separado para los distintos electrodos 2. Sin
embargo, se prefiere la adaptación de la misma manera para todos
los electrodos 2. Es decir, se cumple que para k,l = 1,2,3,...,N,
en donde N es el número de electrodos 2. En este caso, el número de
impulsos individuales del tren de impulsos de alta frecuencia se
designa con M_{j} = M^{(k)}_{j} para k =
1,2,3,...,N. Por tanto, el dispositivo según la invención está
programado de modo que pueda variar la intensidad del estímulo de la
manera indicada.
Como se describe en la sección 4.4., la
expresión de la característica patológica se determina, por ejemplo,
a través de la amplitud de la actividad oscilatoria en la banda de
frecuencia específica de la enfermedad. A este fin, se promedia,
por ejemplo, en una ventana de tiempo antes de la aplicación del
j-ésimo estímulo el valor absoluto de la señal filtrada en paso de
banda dentro del dominio de frecuencia específico de la enfermedad.
La magnitud determinada de esta manera se denomina A_{j}. La
relación entre el número de impulsos individuales en el tren de
impulsos de alta frecuencia M_{j} y la amplitud A_{j} puede
venir dada, por ejemplo, por
Fórmula
3
en donde M^{min} es el número
mínimo de impulsos individuales en el tren de impulsos de alta
frecuencia. El cociente M^{max}/A^{max} es, junto a M^{min},
el segundo parámetro que se debe ajustar. M^{max} y también
A^{max} son los valores empíricos conocidos del experto, de los
cuales resulta el cociente M^{max}/A^{max} = C. Mediante la
fórmula 3 se determina la rápida regulación en la que se adapta
para cada estímulo la intensidad del estímulo, en este caso el
número de impulsos individuales del tren de impulsos de alta
frecuencia M_{j}, al valor actual de la amplitud
A_{j}.
Los parámetros M^{min} y C anteriormente
indicados pueden ajustarse manualmente o bien pueden ser ajustados
por el dispositivo según la invención en el marco de la regulación
lenta.
La regulación lenta puede tener lugar en una
escala de tiempo que está preferiblemente entre 10 y 100 períodos
de la señal de realimentación. En este caso, C y también M^{min}
se pueden variar hacia arriba y hacia abajo en forma combinada y
por separado. El objetivo de esta regulación es suprimir en grado
suficiente la expresión de la característica patológica en la
ventana de tiempo de la regulación lenta. Por una supresión
suficiente de la característica patológica ha de entenderse una
supresión por debajo del umbral descrito en la sección 4.5. De
preferencia, se regula exclusivamente el parámetro M^{min}.
Como se describe en la sección 3.3., al menos un
electrodo 2 no se encuentra en la población de neuronas que se debe
desincronizar. En caso de un electrodo 2 no situado en la población
de neuronas que se debe desincronizar, se influye sobre la
población de neuronas a desincronizar por medio de una estimulación
indirecta, tal como se ha descrito en la sección 3.3. Dado que en
el caso de una estimulación indirecta pueden ser respectivamente
diferentes los tiempos de conducción entre, por un lado, las
poblaciones de neuronas estimuladas y, por otro, la población de
neuronas a desincronizar, se miden primero los respectivos tiempos
de conducción antes de la realización de la estimulación
desincronizante. A este fin, se aplica un estímulo a través de un
respectivo electrodo de estimulación 2 y se mide la respuesta al
estímulo a través del electrodo (sensor 3) colocado en la población
de neuronas a desincronizar. Esto se realiza por separado n veces en
todos los electrodos de estimulación 2 a través de los cuales se
hace una estimulación indirecta, siendo n típicamente un número
entero pequeño de hasta, por ejemplo, 200. A partir de esto se
estima el tiempo de conducción medio, preferiblemente de la manera
siguiente:
La duración entre el comienzo de la aplicación
del estímulo a través del j-ésimo electrodo 2 y el primer máximo de
la respuesta al estímulo o del valor absoluto de la respuesta al
estímulo, \tau_{j}^{(k)}, se determina para cada aplicación
de estímulo individual. En \tau_{j}^{(k)} el índice j
representa el j-ésimo electrodo 2, mientras que el índice k
representa el k-ésimo estímulo aplicado. A partir de esto, se
determina después por separado para cada electrodo de estimulación 2
- a través del cual se estimula indirectamente - la duración media
entre el comienzo del estímulo y la respuesta al estímulo según la
fórmula 4 siguiente:
Fórmula
4
En esta fórmula se tiene que L_{j} es el
número de estímulos aplicados a través del j-ésimo electrodo de
estimulación 2. L_{j} puede ser igual para todos los electrodos de
estimulación 2 a través de los cuales se estimula indirectamente,
pero no tiene que serlo.
Para la estimulación desincronizante se tiene en
cuenta de la manera siguiente el tiempo de conducción
\overline{\tau}_{j} así determinado:
Si, en caso de una estimulación directa de la
población de neuronas a desincronizar, se aplicara en el instante t
un estímulo a través del j-ésimo electrodo de estimulación 2, se
administraría entonces, en caso de una estimulación indirecta, el
impulso en el tiempo t - \overline{\tau}_{j} a través del
j-ésimo electrodo de estimulación 2.
La determinación de los parámetros de
estimulación al comienzo de la estimulación y los mecanismos de
regulación durante la estimulación se realizan, tomando en
consideración de la forma anteriormente descrita los tiempos de
conducción \overline{\tau}_{j}, de manera completamente análoga
a como se ha descrito en las secciones 5.1.1. y 5.1.2.
El parámetro del umbral descrito en la sección
4.5. tiene que ser elegido para la forma de realización de la
temporización controlada según las necesidades que se ha descrito en
la sección 4.3. En una forma de realización preferida de la
temporización controlada según las necesidades se determina el
umbral por vía intraoperativa o preferiblemente en los primeros
días después de la operación mediante una medición de la señal de
realimentación por medio del sensor 3, con determinación de la
expresión de la característica específica de la enfermedad y
comparación con la expresión de los síntomas, por ejemplo la
intensidad del temblor. En una forma de realización preferida se
comprueba la elección del umbral a distancias sustancialmente
regulares, por ejemplo en el marco de controles semestrales.
En una realización menos preferida de la
temporización controlada según las necesidades se toma como umbral
un valor representativo, por ejemplo el valor medio, de un colectivo
de valores umbral medidos en pacientes.
El calibrado realizado según la invención es más
rápido, menos propenso a perturbaciones y menos complicado que el
calibrado descrito en la solicitud de patente alemana 102 11 766.7.
Dicho calibrado es netamente más rápido debido a que, en caso de
una estimulación directa sin estimulación de prueba, se puede
empezar con la operación de estimulación, optimizándose los
parámetros como en la sección 5.1.2. en el transcurso de la
operación de estimulación. En caso de una estimulación recurrente
con intensidad de estímulo controlada según las necesidades y
estimulación directa de la población de neuronas a desincronizar no
es necesario ningún calibrado. En contraste con esto, en el
procedimiento descrito en la solicitud DE 102 11 766.7 se tiene que
realizar una serie de estímulos de prueba en la que se varían
sistemáticamente parámetros de la estimulación. Frente a esto, para
la determinación del tiempo de conducción para la estimulación
indirecta anteriormente descrita se necesitan típicamente menos de
dos minutos. Por tanto, según la invención, se ahorra al menos
media hora de tiempo en la calibración descrita. Debido a la
calibración rápidamente realizable se puede aplicar ya
intraoperativamente el método según la invención, con lo que se
optimiza la colocación del electrodo de profundidad 2. Es posible
de esta manera emplear la repercusión de la estimulación
desincronizante sobre la expresión de los síntomas, por ejemplo el
tremor, directamente como parámetro para obtener la calidad deseada
de la colocación.
El calibrado según la invención es menos
propenso a perturbaciones en comparación con el calibrado descrito
en la solicitud de patente alemana 102 11 766.7, ya que los
estimadores de frecuencia y de tiempo de conducción empleados en el
marco de la calibración según la invención no dependen críticamente
de parámetros como, por ejemplo, los límites y la característica de
un filtro de paso de banda. En contraste con esto, la calibración
del procedimiento descrito en la solicitud de patente alemana 102 11
766.7 depende de los parámetros del filtro de paso de banda
empleado.
Además, los estimadores de frecuencia y de
tiempo de conducción empleados para el calibrado según la invención
se pueden materializar con algoritmos netamente más sencillos. Por
consiguiente, su realización en software o en hardware es netamente
menos complicada.
Especialmente ventajosa es la forma de
realización de la aplicación recurrente con intensidad de estímulo
controlada según las necesidades, ya que en este procedimiento no se
tiene que detectar ningún umbral. En contraste con esto, en la
forma de realización de la temporización controlada según las
necesidades y también en el procedimiento de la solicitud de
patente alemana DE 102 11 766 es necesaria una detección de
umbral.
Si se estimula, por ejemplo, en cuatro lugares,
se pueden entregar entonces, a título de ejemplo, los estímulos
siguientes a través de los cuatro electrodos:
- 1.
- A través de cada uno de los electrodos se aplica el mismo tren de impulsos de alta frecuencia, estando los trenes de impulsos desfasados temporalmente en cada caso en T/4, como se muestra en las figuras 5a-d, y siendo T el período medio del ritmo que se debe desincronizar.
- 2.
- Como se representa en las figuras 4a-d, a través de los electrodos 1 y 2 se aplican trenes de impulsos de alta frecuencia de la misma longitud, pero de diferente polaridad. Asimismo, se aplican los mismos trenes de impulsos de alta frecuencia a través de los electrodos 3 y 4, es decir que para los electrodos 1 y 3 o 2 y 4 se emplean los respectivos trenes de impulsos idénticos de alta frecuencia. Los trenes de impulsos de alta frecuencia de los electrodos 3 y 4 se aplican con un desfase temporal de T/4, es decir que se aplican más tarde que los trenes de impulsos de alta frecuencia de los electrodos 1 y 2.
En lugar de los trenes de impulsos de alta
frecuencia se pueden emplear también respectivos impulsos
individuales o respectivos trenes de impulsos de baja frecuencia
(con una frecuencia en el dominio de la frecuencia de la población
de neuronas que se debe desincronizar).
Existen, a título de ejemplo, dos mecanismos de
control diferentes con los cuales se hace posible una estimulación
controlada según las necesidades y, por tanto, ahorradora de energía
y suave (que evita efectos secundarios):
- 1.
- Temporización controlada según las necesidades (es decir, selección de los instantes controlada según las necesidades) de la aplicación de los estímulos totales (figura 2): Siempre y cuando la sincronización de la población de células nerviosas sobrepase un valor umbral, se entrega el siguiente estímulo total a través de todos los electrodos. Esta variante puede aprovecharse preferiblemente cuando la frecuencia del ritmo a suprimir no fluctúe demasiado fuertemente.
- 2.
- Estimulación recurrente con longitud de los trenes de impulsos de alta frecuencia controlada según las necesidades (figura 3): Se efectúa una estimulación periódica con estímulos coordinados a través de todos los electrodos. En este caso, la intensidad de los estímulos, es decir, preferiblemente la longitud de los trenes de impulsos de alta frecuencia, se adapta a la intensidad de la sincronización de la población de neuronas: Cuanto más fuerte sea la sincronización, tanto mayor será el estímulo coordinado.
\newpage
En esta variante se puede elegir preferiblemente
\tau/4, en lugar de T/4, como retardo de tiempo entre los
impulsos individuales (véase más arriba), siendo T el periodo del
ritmo sin estimulación y \tau el período impuesto al ritmo por
estimulación. En otras palabras: \tau es la frecuencia con la que
se aplican los estímulos individuales. De este modo, se impone al
sistema el único parámetro de estimulación crítico: En lugar de
determinar adecuadamente este parámetro en el marco de una compleja
calibración, dicho parámetro viene dictado por la estimulación.
Además, en esta forma de la estimulación controlada según las
necesidades se aprovecha la circunstancia de que las neuronas en las
regiones afectadas tienen una tendencia (patológica) a dispararse o
a estallar periódicamente (producción rítmica de grupos de
potenciales de acción). A causa de esto, se puede lograr fácilmente
un arrastre, es decir que es sencillo que se estabilice el ritmo
periódico en subpoblaciones. Por este motivo, esta forma de
estimulación necesita aproximadamente 1,5 veces menos corriente en
comparación con la temporización controlada según las
necesidades.
En ambos métodos de control (temporización
controlada según las necesidades e intensidad controlada según las
necesidades) se puede adaptar preferiblemente el único parámetro de
estimulación importante, el retardo de tiempo entre los estímulos
individuales, mediante una medición de la frecuencia de la población
de células nerviosas en la región diana o de otra población de
células nerviosas estrechamente unida con ella. En este caso, el
método 2 (intensidad controlada según las necesidades) tiene también
la ventaja de que su acción desincronizante es más estable frente a
errores menores en la estimación de frecuencia o fluctuaciones
bruscas de la frecuencia.
La falta de un calibrado costoso en tiempo y la
estabilidad del efecto incluso bajo fuertes fluctuaciones de
frecuencia - especialmente en el método 2 (intensidad controlada
según las necesidades) - tiene importantes consecuencias:
- 1.
- En la fase intraoperativa se puede comprobar ya inmediatamente, al introducir el electrodo de profundidad, el éxito de la estimulación. De este modo, se puede mejorar claramente la localización del punto diana deseado. Para los procedimientos actuales controlados según las necesidades se necesita un calibrado que dura más de 30 minutos por cada electrodo. Esto no se puede realizar en la fase intraoperativa y no se le puede exigir al paciente (no anestesiado).
- 2.
- Los nuevos métodos de estimulación se pueden aplicar también a trastornos neurológicos o psiquiátricos en los que los ritmos patológicos presentan frecuencias fuertemente fluctuantes. En particular, con los nuevos métodos se pueden desincronizar también ritmos intermitentes (es decir que se presentan por breve tiempo). Resulta de esto que los nuevos métodos de estimulación se pueden aplicar a bastantes más trastornos, sobre todo también a las epilepsias.
\vskip1.000000\baselineskip
Con el dispositivo según la invención se pueden
tratar mediante el nuevo procedimiento de estimulación las
enfermedades o síntomas siguientes por desincronización de areales
cerebrales deseados.
En todos los trastornos neurológicos y
psiquiátricos en los que la sincronización neuronal patológica
desempeñe un papel relevante para la expresión de los síntomas
específicos de la enfermedad, por ejemplo: enfermedad de Parkinson,
tremor esencial, distonía, trastornos
obsesivo-compulsivos, tremor en esclerosis múltiple,
tremor a consecuencia de un ataque de apoplejía u otro daño de
tejido, por ejemplo tumoral, por ejemplo en la zona del tálamo y/o
de los ganglios basales, coreoatetosis y epilepsia, no debiendo ser
limitativa esta enumeración.
En el método estándar actualmente empleado, la
estimulación permanente de alta frecuencia, se emplean a título de
ejemplo los siguientes areales diana:
En la enfermedad de Parkinson el núcleo
subtalámico o en la enfermedad de Parkinson con tremor dominante el
tálamo, por ejemplo el núcleo ventral del tálamo intermedio.
En el tremor esencial el tálamo, por ejemplo el
núcleo ventral intermedio del tálamo.
En distonía y coreoatetosis el globo pálido
interno, en epilepsia el núcleo subtalámico, el cerebelo, regiones
nucleares talámicas, por ejemplo el núcleo ventral intermedio del
tálamo, o el núcleo caudado.
En trastornos
obsesivo-compulsivos la cápsula interna o el núcleo
accumbens.
En el dispositivo según la invención se pueden
elegir, por ejemplo, los areales diana anteriormente expuestos para
los respectivos trastornos. Dado que en el dispositivo según la
invención no es necesario un calibrado o bien el calibrado puede
realizarse con mucha rapidez, resulta la posibilidad de que en el
marco de la implantación de electrodos se prueben areales diana
alternativos en los que se pueda desplegar aún mejor la acción
desincronizante del dispositivo según la invención.
La invención comprende también un sistema de
control que controla el funcionamiento indicado del dispositivo
conforme a la invención, así como el uso del dispositivo y del
sistema de control para el tratamiento de las enfermedades
consistentes en enfermedad de Parkinson, tremor esencial, distonía,
trastornos obsesivo-compulsivos, coreoatetosis,
tremor en esclerosis múltiple, tremor como consecuencia de un ataque
de apoplejía u otro daño de tejido, por ejemplo tumoral, por
ejemplo en la zona del tálamo y/o de los ganglios basales, y
epilepsia.
El dispositivo según la invención puede
emplearse tanto como implante para la terapia permanente de los
trastornos neurológicos y psiquiátricos antes citados como para el
diagnóstico intraoperativo de puntos diana, es decir, la
localización intraoperativa del punto diana óptimo para la
implantación de electrodos.
Claims (49)
1. Dispositivo para la desincronización de la
actividad de areales cerebrales patológicamente activos, que
comprende medios para estimular regiones cerebrales,
caracterizado porque comprende los componentes
siguientes:
- -
- al menos dos electrodos (2) y
- -
- medios de control que están concebidos de modo que, durante su funcionamiento, activan al menos dos electrodos (2) de tal manera que los al menos dos electrodos (2) entreguen estímulos a una respectiva de al menos dos subpoblaciones de una población de neuronas que se debe desincronizar, estando desfasados en tiempo los estímulos entregados por electrodos diferentes (2) y produciéndose por efecto de los estímulos una reposición de fase de la actividad neuronal de las al menos dos subpoblaciones, de modo que las al menos dos subpoblaciones presentan fases diferentes de su actividad neuronal después de las reposiciones de fase provocadas por los estímulos.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el sistema de control (4) activa cada
vez al menos una parte de los al menos dos electrodos (2) de modo
que se estimule directamente la población de neuronas que se debe
desincronizar, y/o
se estimule una población de neuronas unida a
través de un haz de fibras nerviosas con la población de neuronas
que se debe desincronizar, y/o
se estimule un haz de fibras nerviosas unido con
la población de neuronas que se debe desincronizar.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque comprende un sistema de control (4) que
activa los al menos dos electrodos (2) con señales para estímulos
individuales.
4. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque el sistema de control (4) genera
estímulos individuales que son al menos un componente del grupo de
un impulso individual, un tren de impulsos de alta frecuencia y un
tren de impulsos de baja frecuencia.
5. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque el sistema de control (4) genera trenes
de impulsos de alta y de baja frecuencia que se componen de
impulsos individuales.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones
4 ó 5, caracterizado porque el sistema de control (4) genera
impulsos individuales que son al menos un componente del grupo de un
impulso individual monofásico positivo, un impulso individual
monofásico negativo y un impulso individual bifásico.
7. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque el sistema de control genera impulsos
individuales bifásicos que se componen de impulsos individuales
monofásicos positivos y negativos, cuya aportación neta de energía
es sustancialmente nula.
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones
4 a 7, caracterizado porque el sistema de control (4) genera
trenes de impulsos de alta frecuencia y/o trenes de impulsos de baja
frecuencia, siendo los impulsos individuales - empleados dentro de
un tren de impulsos - de diferente amplitud y/o naturaleza y/o
duración y/o estando separados estos impulsos por distancias
temporales diferentes.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones
4 a 8, caracterizado porque el sistema de control (4) genera
trenes de impulsos de alta frecuencia y/o trenes de impulsos de baja
frecuencia, siendo idénticos los impulsos individuales empleados
dentro de un tren de impulsos.
10. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 3 a 8, caracterizado porque el sistema de
control (4) genera trenes de impulsos de alta frecuencia y/o trenes
de impulsos de baja frecuencia, pudiendo variarse por vía
estocástica y/o determinística en los impulsos individuales
empleados dentro de un tren de impulsos la amplitud y/o la
naturaleza y/o la duración y/o las distancias temporales.
11. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 4 a 10, caracterizado porque el sistema de
control (4) está programado de modo que dentro de un tren de
impulsos de alta frecuencia o de un tren de impulsos de baja
frecuencia se apliquen los impulsos individuales en forma
sustancialmente periódica o en instantes que varíen en forma
estocástica y/o determinística.
12. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 3 a 11, caracterizado porque el sistema de
control (4) puede variar la naturaleza y/o la aportación de energía
y/o la polaridad de los estímulos individuales.
13. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque el sistema de
control (4) entrega señales a los al menos dos electrodos (2) en
instantes al menos parcialmente diferentes.
14. Dispositivo según la reivindicación 13,
caracterizado porque el sistema de control (4) activa todos
los electrodos (2) en instantes diferentes.
15. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 13 ó 14, caracterizado porque el sistema de
control (4) entrega señales a los al menos dos electrodos (2) en
instantes que al menos en parte son sustancialmente
equidistantes.
16. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque el sistema de
control (4) comprende un detector que está programado de modo que
detecte diferencias en el tiempo de conducción entre el lugar de
estimulación de un electrodo individual de los al menos dos
electrodos (2) y el lugar de ubicación de la población de neuronas
estimulada por él.
17. Dispositivo según la reivindicación 16,
caracterizado porque el sistema de control (4) está
programado de modo que éste, al calcular los instantes de los
estímulos individuales de los electrodos individuales (2), calcule
también los tiempos de conducción correspondientes.
18. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 3 a 17, caracterizado porque el sistema de
control (4) entrega a los al menos dos electrodos (2) unas señales
para estímulos totales que se componen de señales para estímulos
individuales.
19. Dispositivo según la reivindicación 18,
caracterizado porque, en el marco de un estímulo total, el
sistema de control (4) entrega a al menos dos electrodos (2) de N
electrodos (2) un respectivo estímulo individual.
20. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 18 ó 19, caracterizado porque, en el marco
de un estímulo total, el sistema de control (4) entrega a todos los
electrodos (2) un respectivo estímulo individual.
21. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 18 a 20, caracterizado porque el sistema de
control (4) genera estímulos totales cuya aportación neta de
energía es sustancialmente nula.
22. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 18 a 21, caracterizado porque, en el marco
de la aplicación de un estímulo total, el sistema de control (4)
entrega señales a todos los electrodos (2) en instantes
sustancialmente equidistantes.
23. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 18 a 22, caracterizado porque el sistema de
control (4) obtiene la secuencia de los impulsos totales con un
algoritmo determinístico y/o estocástico.
24. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 18 a 23, caracterizado porque el sistema de
control (4) obtiene y varía la secuencia y/o la naturaleza y/o la
intensidad y/o la aportación de energía de los estímulos
individuales en un estímulo total con un algoritmo determinístico
y/o estocástico.
25. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 18 a 24, caracterizado porque el sistema de
control (4) está programado de modo que se pueden variar los
electrodos (2) activados en el marco de un estímulo total.
26. Dispositivo según la reivindicación 25,
caracterizado porque el sistema de control (4) está
programado de modo que los electrodos (2) activados en el marco de
un estímulo total pueden ser variados por algoritmos estocásticos
y/o determinísticos.
27. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 26, caracterizado porque los al menos
dos electrodos (2) son al menos en parte de longitud diferente.
28. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 27, caracterizado porque el sistema de
control (4) está programado de modo que no es controlado según las
necesidades.
29. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 27, caracterizado porque el sistema de
control (4) está programado de modo que es controlado según las
necesidades.
30. Dispositivo según la reivindicación 29,
caracterizado porque el sistema de control (4) está
programado de modo que emplea para la operación de control la señal
de realimentación medida por medio de un sensor (3).
31. Dispositivo según la reivindicación 30,
caracterizado porque el sistema de control (4) está
programado de modo que emplea la amplitud de la señal de
realimentación medida por medio del sensor (3).
32. Dispositivo según la reivindicación 31,
caracterizado porque el sistema de control (4) estima la
amplitud de la señal de realimentación medida por el sensor (3),
para lo cual dicho sistema emplea la propia señal de realimentación
y/o el valor absoluto de la señal de realimentación y/o la señal de
realimentación filtrada en paso de banda en el dominio de
frecuencia específico de la enfermedad y/o el valor absoluto de la
señal de realimentación filtrada en paso de banda en el dominio de
frecuencia específico de la enfermedad y/o la amplitud instantánea
determinada con filtrado de paso de banda y transformación de
Hilbert subsiguiente o con análisis de onditas.
33. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 29 a 32, caracterizado porque el sistema de
control (4) adapta el período de estimulación T a la frecuencia
momentánea de la población de neuronas que se debe
desincronizar.
34. Dispositivo según la reivindicación 33,
caracterizado porque el sistema de control (4) determina la
frecuencia momentánea de la población de neuronas que se debe
desincronizar mediante una estimación de la diferencia temporal de
puntos de disparo o por medio de estimadores de frecuencia.
35. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 29 a 34, caracterizado porque el sistema de
control (4) trabaja con arreglo a una temporización controlada
según las necesidades.
36. Dispositivo según la reivindicación 35,
caracterizado porque el sistema de control (4) aplica un
estímulo total al detectarse una característica patológica en la
señal de realimentación medida por el sensor (3).
37. Dispositivo según la reivindicación 36,
caracterizado porque el sistema de control (4) detecta una
característica patológica detectando la superación de un valor
umbral de la amplitud de la señal de realimentación medida por el
sensor (3).
38. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 35 a 37, caracterizado porque el sistema de
control (4) detecta una característica patológica detectando la
superación de un valor umbral de la amplitud de la señal de
realimentación medida por el sensor (3) y filtrada en paso de banda
en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad.
39. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 37 ó 38, caracterizado porque el sistema de
control (4) compara la amplitud de la señal de realimentación
medida por el sensor (3) con el valor umbral.
40. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 36 a 39, caracterizado porque, para la
detección de una característica patológica, el sistema de control
(4) compara la amplitud de la señal de realimentación medida por el
sensor (3) con el valor umbral dentro de una ventana de tiempo
flotante.
41. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 35 a 40, caracterizado porque el sistema de
control (4) regula la intensidad del estímulo en una escala de
tiempo entre 10 y 1000 períodos de la señal de realimentación de
modo que se desincronice suficientemente la población de neuronas
que se debe desincronizar.
42. Dispositivo según la reivindicación 41,
caracterizado porque, para regular la intensidad del
estímulo, el sistema de control (4) varía la amplitud de los
impulsos individuales y/o el número y/o la cadencia y/o la duración
de los impulsos individuales en un tren de impulsos de alta o de
baja frecuencia.
43. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 29 a 34, caracterizado porque el sistema de
control (4) trabaja con una intensidad de estímulo controlada según
las necesidades.
44. Dispositivo según la reivindicación 43,
caracterizado porque el sistema de control (4) genera
impulsos totales en instantes t_{j}, en donde se cumple que
\vskip1.000000\baselineskip
Fórmula
2
t_{j+1}-t_{j}
= N_{j}T +
x_{j}
45. Dispositivo según la reivindicación 44,
caracterizado porque el sistema de control (4) genera los
impulsos totales en instantes t_{j}, siendo la secuencia numérica
dada por N_{1}, N_{2}, N_{3}, etc. una secuencia numérica
constante o bien siendo ésta generada según un principio de
formación estocástico y/o caótico.
46. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 43 a 45, caracterizado porque el sistema de
control (4) está programado de modo que adapte la intensidad del
estímulo total individual a la expresión de la característica
patológica y/o a la amplitud de la señal de realimentación.
47. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 43 a 46, caracterizado porque el sistema de
control (4) está programado de modo que el número M_{j} de
impulsos individuales en el respectivo tren de impulsos de alta
frecuencia aplicado a través de los electrodos (2) viene dado
por
\vskip1.000000\baselineskip
Fórmula
3
48. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 43 a 47, caracterizado porque el sistema de
control (4) está programado de modo que la relación entre
intensidad de estímulo y expresión de la característica patológica
sea manualmente ajustable o se regule automáticamente en función del
éxito de estimulación.
49. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 47 ó 48, caracterizado porque el sistema de
control (4) está programado de modo que regule parámetros de la
fórmula 3
en una escala de tiempo de entre 10
y 1000 períodos de la señal de realimentación para que se suprima en
grado suficiente la característica
patológica.
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