PL249769B1 - Układ do komunikacji pomiędzy mózgiem ludzkim a światem zewnętrznym - Google Patents

Abstract

Układ do komunikacji pomiędzy mózgiem ludzkim, a światem zewnętrznym w obszarze kory przedczołowej: przedniej, brzuszno-bocznej (anterior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca, biegunem czołowym i przednią grzbietowo-boczną korą przedczołową i akwizycji sygnałów z tych obszarów, zawierający co najmniej jedną elektrodę sczytującą (E), która posiada co najmniej jeden kontakt umożliwiający pozyskiwanie sygnału LFP lub która jest makroelektrodą iEEG z jednym kontaktem montowanym w korze mózgowej lub na jej powierzchni. Układ charakteryzuje się tym, że elektroda sczytująca (E) połączona jest przewodowo lub bezprzewodowo z układem akwizycji (UA), który jest połączony z układem przetwarzania (UP), który połączony jest z układem analizy (UN), który połączony jest z monitorem (M).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do komunikacji pomiędzy mózgiem ludzkim a światem zewnętrznym, poprzez sczytywanie aktywności mózgu, z wykorzystaniem urządzeń komputerowych.

Wynalazek przeznaczony jest do komunikacji z osobą nie mogącą mówić ani pisać, np. znajdującej się w zespole zamknięcia, poprzez sczytywanie aktywności mózgu, jej rozpoznawania i wyświetlanie na ekranie urządzenia słowa bądź obrazu reprezentującego koncepcję, o której myśli osoba.

Kora mózgu ludzkiego stanowi najbardziej zewnętrzną strukturę mózgowia i podzielona jest na obszary wyznaczone pod względem cech anatomicznych i czynnościowych. Wyróżnia się obszary kory sensorycznej, kojarzeniowej i motorycznej odpowiadające za poszczególne funkcje zmysłowe, umysłowe czy ruchowe. Jeden z najbardziej znanych atlasów kory mózgu ludzkiego używa numerycznych oznaczeń obszarów nazwanych polami Brodmanna, tzn. nazwiskiem naukowca, który je pierwszy oznaczył. Każde pole zawiera zarówno zakręty jak i bruzdy kory w danym obszarze. Istnieją też nazwy pojedynczych pól nazwanych po ich odkrywcach takie jak pole Wernicke czy pole Broca istotne w funkcjach mowy. Wyższe funkcje umysłu takie jak pamięć rozmieszczone są w wielu obszarach korowych i podkorowych. Obszary korowe mózgu kluczowe dla zapamiętywania i modulacji funkcji umysłu pozostają w dużej mierze nieznane.

Obecnie możliwe jest mapowanie funkcji kory mózgowej w różnych jej obszarach. Obszary korowe wykazujące znaczące aktywności elektrofizjologiczne podczas zapamiętywania bodźców mogą być monitorowane w czasie rzeczywistym poprzez specjalne kontakty elektrod. Znane są pomiary aktywności mózgu technikami inwazyjnymi, takimi jak LFP (Local Field Potential - lokalny potencjał połowy) lub ECoG (electrocorticogram - elektrokortykogram) lub nieinwazyjnymi, takimi jak EEG (electroencephalogram - elektroencefalogram).

W przypadku zastosowania mikroelektrod możliwe jest sczytywanie z powierzchni kory mózgowej, jej wnętrza i z podkorowych struktur mózgu aktywności elektrofizjologicznej w postaci potencjałów w odległości 50-350 pm od końcówki elektrody i aktywności jonowej w odległości 0,5-3 mm. Znane jest zastosowanie makroelektrody iEEG montowanej w korze mózgowej lub na jej powierzchni, które pozwala na sczytywanie aktywności elektrofizjologicznej z mniejszą rozdzielczością przestrzenną wynoszącą ok. 1 cm. Zastosowanie elektrody EEG z kontaktami montowanymi na skalpie pozwala na przezczaszkową rejestrację zbiorczej aktywności elektrofizjologicznej mózgu z niższą rozdzielczością przestrzenną, niż w przypadku elektrod wszczepianych. Znane są sposoby rejestracji sygnałów z odpowiednich regionów mózgu podczas aktywności umysłu, takich jak zapamiętywanie słów, które umożliwia identyfikację poszczególnych wyrazów w określonym czasie.

Znana jest metoda analizy częstotliwościowej sygnału polegająca np. na zastosowaniu krótkoczasowej transformaty Fouriera lub transformacji falkowej w celu otrzymania spektrogramu, na podstawie którego można wyznaczyć profil mocy poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu. Znana jest metoda filtracji sygnału filtrami o nieskończonej odpowiedzi impulsowej i filtrami o skończonej odpowiedzi impulsowej. Znana jest metoda uczenia indukcyjnego, polegająca na zastosowaniu np. sztucznych sieci neuronowych. Znany jest wzmacniacz, który wzmacnia sygnały elektrofizjologiczne pochodzące z mózgu do wartości umożliwiających analizę sygnałów z wykorzystaniem cyfrowych metod przetwarzania takich, jak np. krótko-czasowa transformata Fouriera. Znany jest konwerter analogowo-cyfrowy dokonujący zamiany elektrofizjologicznego sygnału analogowego na sygnał w postaci cyfrowej. Znany jest bufor kołowy do przechowywania próbek sygnału cyfrowego.

Z opisu zgłoszeniowego EP3247267A2 oraz opisu zgłoszeniowego WO2019183046A1 znane są sposoby polepszania funkcji poznawczych, takich jak pamięć poprzez inwazyjne lub nieinwazyjne nagrywanie aktywności elektrycznej z wybranych części mózgu i stymulację w tych miejscach. Sposoby te są oparte na elektrodach i urządzeniach do pomiaru aktywności danych części mózgu i przeprowadzania prądu elektrycznego do ich stymulacji. Sygnały elektryczne pobrane z mózgu są przekazywane do rejestracji i przetwarzania komputerowego do automatycznej kontroli stymulacji elektrycznej w celu poprawy pamięci.

Zgodnie z opisem wynalazku EP3247267 sygnały mogą być pobierane do rejestracji i przetwarzania bezpośrednio z danej części mózgu, natomiast zgodnie z opisem wynalazku WO2019183046 sygnały pobierane są pośrednio z innych źródeł sygnałów aktywności mózgu, takich jak rozwartość źrenicy oka. Opisano w nich część mózgu w bocznej korze skroniowej (lateral temporal cortex), której stymulacja elektryczna powoduje poprawę zapamiętywania słów. Stymulacja w tej części mózgu w trybie obiegu otwartego tzn. bez pomiaru aktywności mózgu lub w trybie obiegu zamkniętego tzn. inicjowana pomiarem i analizą aktywności mózgu podczas pokazywania słów, powoduje zwiększenie średniej ilości zapamiętanych słów.

Z opisów wynalazków US10363420, US20170113046, US9403010, US20140107728 znana jest stymulacja elektryczna w innych częściach mózgu, w obrębie struktur przyśrodkowej kory skroniowej (medial temporal lobe), takich jak hipokamp (hippocampus), kora śródwęchowa (entorhinal cortex) i ich połączeń z pozostałymi częściami mózgu.

W opisie wynalazku W02009067323A1 przedstawiona została stymulacja w grzbietowo-bocznej korze przedczołowej (dorso-lateral prefrontal cortex; DLPFC) między innymi do poprawy funkcji pamięci. Stymulacja w tych innych częściach mózgu jest użyta podczas aktywności poznawczych i procesów pamięci.

Z opisu wynalazku US2014148872 znane jest urządzenie do stymulacji przezczaszkowej w oparciu o dwie elektrody. Niedogodnością tego urządzenia jest brak możliwości akwizycji sygnałów aktywności elektrofizjologicznej.

Z opisu US2020086047A1 znane jest urządzenie do stymulacji wewnątrzczaszkowej w celu poprawy zdolności kognitywnych. Niedogodnością tego urządzenia jest to, iż nie dokonuje detekcji uszkodzonych kontaktów/przewodów i nie usuwa pochodzących z nich sygnałów z procesu analizy. Urządzenie nie umożliwia dokonania długoczasowej analizy sygnałów w celach optymalizacji procesu. Rozwiązanie to nie pozwala na akwizycję sygnałów z mózgu w obszarze przedniej, brzuszno-bocznej kory przedczołowej (anterior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca (pole Brodmanna 44 i 45), biegunem czołowym (pole Brodmanna 10 i 11) i przednią grzbietowo-boczną korą przedczołową (pole Brodmanna 46).

W opisach wynalazków US20170014630 i US10159839 zawarto opis sposobów stymulacji mózgu podczas snu w celu lepszego utrwalania śladów pamięci po okresie aktywności funkcji poznawczych, takich jak zapamiętywanie.

W Politechnice Gdańskiej prowadzone były w okresie 01-06-2018 - 31-05-2021 badania naukowe obejmujące neurofizjologiczne mechanizmy procesów myślowych i pamięci poprzez zastosowanie innowacyjnych technologii do pomiaru i stymulacji aktywności mózgu ludzkiego. Wyniki tych badań pokazują, że istnieją znacząco większe różnice w aktywności w paśmie fal mózgowych theta (2-8 Hz) pomiędzy udanymi a nieudanymi próbami zapamiętywania u ludzi. Odkryte różnice w zapamiętywaniu były większe niż w innych częściach mózgu (w tym w bocznej korze skroniowej) czy w wyższych częstotliwościach fal mózgowych. Przedstawiono to na fig. 1, gdzie na fig. 1A pokazano, że wszystkie aktywne elektrody wszczepione w tym badaniu zostały automatycznie zgrupowane na podstawie ich anatomicznych współrzędnych położenia w oparciu o metodę k-means, na fig. 1B pokazano, że automatycznie zgrupowane skupiska elektrod wykazują większą gęstość i wielkość różnicy w sygnale zapamiętywania (rozmiar kulki) w korze przedczołowej, na fig. 1C pokazano, że centroidy każdego skupiska identyfikują jedno skupisko z najwyższą średnią wielkością różnicy w zapamiętywaniu (strzałka) w przedniej korze przedczołowej, na fig. 1D pokazano, że anatomiczne rozmieszczenie każdego skupiska pokazuje stosunkowo niewielki rozmiar odkrytego skupiska (strzałka) o promieniu 4 mm, na fig. 1E pokazano, że porównanie uśrednionych różnic w zapamiętywaniu pomiędzy anatomicznie uszeregowanymi skupiskami potwierdza znacznie większe wartości odkrytego skupiska przedczołowego niż w większości innych skupisk oraz, że sąsiednie skupiska przedczołowe również wykazują stosunkowo wysokie średnie różnic w porównaniu ze stopniowo bardziej oddalonymi anatomicznie skupiskami, na fig. 1F pokazano uniwersalną powierzchnię mózgu, która podsumowuje interpolowane wartości różnic, które z kolei potwierdzają te samo anatomicznie wyodrębnione skupisko (strzałka) pomiędzy obszarami bieguna czołowego (frontal pole), pola Broca i bocznej kory przedczołowej (lateral prefrontal cortex). Ten zlokalizowany obszar mózgu jest anatomicznie dostępny dla inwazyjnych i nieinwazyjnych technik sczytywania aktywności mózgu.

Układ do komunikacji pomiędzy światem zewnętrznym a mózgiem w obszarze kory przedczołowej i akwizycji sygnałów z tego obszaru, zawierający co najmniej jedną elektrodę sczytującą, która połączona jest przewodowo lub bezprzewodowo z układem akwizycji, który jest połączony z układem przetwarzania, który połączony jest z układem analizy, który połączony jest z monitorem, według wynalazku charakteryzuje się tym, że akwizycja sygnałów następuje w obszarze przedniej, brzuszno-bocznej (anterior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca (pole Brodmanna), biegunem czołowym (pole Brodmanna) i przednią grzbietowo-boczną korą przedczołową (pole Brodmanna) a co najmniej jedna elektroda sczytującą, posiada co najmniej jeden kontakt umożliwiający pozyskiwanie sygnału LFP lub która jest makroelektrodą iEEG z jednym kontaktem montowanym w korze mózgowej lub na jej powierzchni, natomiast układ akwizycji, który połączony jest z elektrodą sczytującą, zawiera wzmacniacz, który połączony jest z konwerterem analogowo-cyfrowym, który powiązany jest z buforem, który z kolei powiązany jest z układem filtracji w układzie przetwarzania, przy czym układ filtracji połączony jest z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów poi owych, w którym zaimplementowana jest znana metoda analizy częstotliwościowej sygnału. Układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych połączony jest z układem klasyfikującym, znajdującym się w układzie analizy, poprzez układ detekcji uszkodzeń do wykrywania niesprawnych kontaktów lub przewodów, przy czym układ pom iaru mocy i/lub potencjałów polowych połączony jest również bezpośrednio z układem klasyfikującym. Układ klasyfikujący połączony jest z układem decyzyjnym, który połączony jest dwukierunkowo z układem optymalizacji, a ponadto układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych oraz układ klasyfikujący połączone są z układem optymalizacji, zaś układ decyzyjny połączony jest z monitorem.

Korzystnie w układzie przetwarzania, układ filtracji połączony jest poprzez układ detekcji uszkodzeń z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych, a także układ filtracji połączony jest bezpośrednio z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów poi owych, przy czym układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych połączony jest z układem klasyfikującym.

Wykorzystanie układu do komunikacji pomiędzy mózgiem ludzkim a światem zewnętrznym zapewnia możliwość poznania intencji osoby nie mogącej mówić ani pisać, np. znajdującej się w zespole zamknięcia, poprzez wyświetlenie na ekranie słowa lub obrazu związanych z myślą, którą w danej chwili ma użytkownik wynalazku.

Wynalazek objaśniony jest bliżej w przykładach realizacji i na rysunku, na którym na fig. 1 pokazane są schematycznie wyniki badań naukowych przeprowadzonych na Politechnice Gdańskiej, zaś na fig. 2 przedstawiono rozmieszczenie kontaktów elektrody, na fig. 3 impulsy aktywności wykryte w trakcie przywoływania koncepcji myślowej z pamięci, na fig. 4 ogólny schemat wynalazku do komunikacji pomiędzy mózgiem ludzkim a światem zewnętrznym, a na fig. 5 i fig. 6 przedstawione są wariantowe układy.

Przykład 1

Budowa układu.

Jak pokazano na fig. 4 i 5 układ do poprawy funkcji poznawczych składa się z elektrody sczytującej z liczbą 100 kontaktów przewodzących prąd E o wielkości maksymalnie 100 mikrometrów, rozmieszczonych geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10x10, na całkowitej powierzchni o wielkości maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, wskazanym na fig. 1F, dokładnie wytyczony, wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG. Rozmieszczenie kontaktów przedstawiono na fig. 2. Kontakty umieszczone są na biokompatybilnym i niereaktywnym materiale przy użyciu np. technik litografii poliamidowej. Średnica kontaktów jest dostatecznie niska i wynosi mniej niż 100 mikrometrów, aby umożliwić odbieranie sygnałów LFP z poszczególnych kolumn korowych.

Jak pokazano na fig. 4, kontakty elektrody sczytującej E połączone są z układem akwizycji UA, który połączony jest bezprzewodowo poprzez Bluetooth z układem przetwarzania UP na tablecie albo smartfonie, który z kolei połączony jest z układem analizy UN zrealizowanym w tej samej postaci, który połączony jest z monitorem M. Układ akwizycji UA stanowi jedno urządzenie pozyskujące U1, a układy UP i UN wchodzą w skład drugiego urządzenia komputerowego U2. Układy UA, UP i UN przedstawiono w szczegółach poniżej.

Jak pokazano na fig. 5, układ akwizycji UA składa się ze wzmacniacza 1, dokonującego wzmocnienia sygnału pozyskanego z kontaktów elektrody sczytującej E do wartości amplitud umożliwiających analizę z wykorzystaniem metod przetwarzania sygnałów takich, jak krótko-czasowa transformata Fouriera, który połączony jest konwerterem analogowo-cyfrowym 2, dokonującym konwersji sygnału na postać cyfrową, który dalej połączony jest z buforem 3, zrealizowanym w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącym częścią pamięci operacyjnej układu. Bufor 3, połączony jest bezprzewodowo z układem filtracji 4, znajdującym się w układzie przetwarzania UP. Układ filtracji 4, który dokonuje podziału sygnału na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości, połączony jest z układem pomiaru mocy 5, w którym dla sygnałów w paśmie częstotliwości powyżej 50 Hz, za pomocą metody analizy częstotliwościowej wyznaczany jest spektrogram, a następnie wyznaczany jest profil mocy poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu. Układ pomiaru mocy 5 połączony jest z układem klasyfikującym 7, układem optymalizacji 9 i opcjonalnie z układem detekcji uszkodzeń 6. Opcjonalny układ detekcji uszkodzeń 6 połączony jest z układem klasyfikującym 7 i układem optymalizacji 9. Układ klasyfikujący 7 połączony jest z układem decyzyjnym 8 i układem optymalizacji 9. Układ decyzyjny 8 połączony jest z ekranem M urządzenia komputerowego U2, np. tabletu.

Sposób działania układu.

W warunkach szpitalnych po wykonaniu operacji wszczepienia elektrody sczytującej E i urządzenia pozyskującego U1, pacjentowi prezentowane są na ekranie M urządzenia komputerowego U2 lub podłączonym do niego monitorze M podstawowe słowa z życia codziennego i ilustrujące je obrazy. Z wykorzystaniem sposobu działania opisanego poniżej dla każdego słowa/obrazu pozyskiwana jest aktywność elektrofizjologiczna towarzysząca wystąpieniu słów, wyświetlonych na ekranie, która następnie zapisywana jest jako wzorzec w postaci profili mocy i/lub potencjałów polowych w pamięci urządzenia komputerowego U2. Następnie, w życiu codziennym ta zapisana aktywność pozyskiwana jest z pamięci urządzenia komputerowego U2 i porównywana w układzie klasyfikującym z bieżącą aktywnością elektrofizjologiczną.

Sygnał z siatki elektrody sczytującej E, z kontaktami o maksymalnej wielkości 100 mikrometrów, rozmieszczonymi geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10x10 kontaktów, na całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, wskazanym na fig. 1F, dokładnie wytyczonym wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG, jest przesyłany do wzmacniacza 1, w którym jest wzmacniany do amplitud umożliwiających analizę metodami przetwarzania sygnału takimi, jak krótko-czasowa transformata Fouriera, a następnie przesyłany do konwertera analogowo-cyfrowego 2 zamieniającego sygnał na postać cyfrową, z którego sygnał o długości N próbek przesyłany jest do bufora 3, zrealizowanego w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącym częścią pamięci operacyjnej układu. Układy te stanowią część układu akwizycji UA urządzenia pozyskującego U1 implantowanego w głowie lub klatce piersiowej pod obojczykiem, tak jak w przypadku znanych urządzeń do terapii Deep Brain Stimulation (DBS). Układ UA zasilany jest baterią ładowaną bezprzewodowo lub baterią długoletnią do wymiany chirurgicznej, jak w przypadku urządzeń do terapii DBS. Sygnały o długości N próbek pozyskiwane z bufora 3 są przesyłane bezprzewodowo w technologii Bluetooth do układu filtracji 4, w którym dzielone są na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości. Podzielone na pasma częstotliwości sygnały wysyłane są do układu pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych 5, w którym poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu otrzymanego z wykorzystaniem metody analizy częstotliwościowej wyznaczany jest profil mocy sygnału w tych pasmach częstotliwości lub w dziedzinie czasu wyznaczane są potencjały polowe poprzez obliczenie średniej amplitudy w obrębie segmentu n próbek, dodanie do niej wartości progowej i identyfikację miejsc, w których amplituda przekracza tę sumę. Wyznaczone w układzie pomiaru mocy 5 profile mocy w każdym z pasm częstotliwości i/lub potencjały przesyłane są do układu klasyfikującego 7, działającego w oparciu o sztuczne sieci neuronowe, który dokonuje klasyfikacji na klasy, spośród których każda określa rozpoznane słowo, w oparciu o wzorce przebiegu mocy i/lub potencjałów polowych pozyskane według tego samego sposobu działania w warunkach szpitalnych i zapisane w pamięci urządzenia komputerowego U2. Przykładowo, myślenie przez użytkownika, że napiłby się kawy powoduje pojawienie się impulsów aktywności w zakresie wysokich częstotliwości 70-300 Hz o specyficznych dla słowa kawa i powtarzalnych częstotliwościach, np. dwa impulsy z czego pierwszy ma częstotliwość 180 Hz a drugi 220 Hz. Przedstawiono to na fig. 3, na którym rysunek po lewej stronie przedstawia dwa impulsy aktywności wysokoczęstotliwościowej pojawiające się po wyświetleniu słowa „kawa” na ekranie - oznaczone strzałką na spektrogramie; 0 oznacza moment wyświetlenia słowa, a rysunek po prawej stronie przedstawia te same dwa impulsy widoczne w momencie, kiedy użytkownik myśli o tym słowie/koncepcji z nim związanej - użytkownik przypomina je sobie - 0 oznacza moment wypowiedzenia słowa „kawa”. Spektrogramy z układu pomiaru mocy 5 opcjonalnie przesyłane są do układu detekcji uszkodzeń 6, w którym z wykorzystaniem częstotliwościowej metody detekcji szumu wykrywane są niesprawne kontakty lub przewody, np. poprzez porównanie z wartością progową różnicy mediany dla każdego segmentu spektrogramu i mediany tych median i z wykorzystaniem częstotliwościowej metody detekcji aktywności epileptycznej/nieelektrofizjologicznej skutkującej efektem Gibbsa, polegającej np. na obliczeniu ilorazu wartości średniej z sumy wartości w spektrogramie i mediany z sumy wartości w spektrogramie a następnie porównaniu wyniku z wartością progową równą 2 dla bardzo subtelnego efektu Gibbsa i wartością równą 18 dla silnego efektu Gibbsa. Informacja o niesprawnych kontaktach lub przewodach przesyłana jest do układu klasyfikującego 7. Opcjonalność układu 6 polega na tym, że układ klasyfikujący 7 również może klasyfikować sygnał otrzymany z układu pomiaru mocy 5 pod kątem uszkodzeń kontaktów lub przewodów. Wówczas sygnały przesyłane są z pominięciem układu detekcji uszkodzeń 6. W oparciu o informację o klasie zidentyfikowanej w układzie klasyfikującym 7 i dane z układu optymalizacji 9, działającego w oparciu o uczenie maszynowe, np. z wykorzystaniem metody uczenia indukcyjnego, w układzie decyzyjnym 8 określa się o jakim słowie/koncepcji w danym momencie myśli użytkownik wynalazku, co pozwala odpowiednio wyświetlić to słowo lub obraz na ekranie M urządzenia komputerowego U2. W pamięci układu optymalizacji 9 zapisywana jest informacja z układu klasyfikującego 7 o wybranej klasie określającej słowo i zapisywany jest identyfikator kontaktu elektrody sczytującej E, z którego pozyskano sygnał do przetwarzania. W pamięci układu optymalizacji 9 zapisywane są również profile mocy sygnału w każdym z pasm częstotliwości, pozyskane z układu pomiaru mocy 5. Układ optymalizacji 9 dokonuje długoczasowej analizy tych danych w oparciu o uczenie maszynowe w celu wyeliminowania efektu starzenia się wzorców i w celu zapewnienia poziomu uogólniania umożliwiającego trafne podejmowanie decyzji w układzie 8.

Przykład 2

Budowa układu

Jak pokazano na fig. 4 i 6 układ do komunikacji pomiędzy mózgiem ludzkim a światem zewnętrznym składa się z elektrody sczytującej z liczbą 100 kontaktów przewodzących prąd E o wielkości maksymalnie 100 mikrometrów, rozmieszczonych geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10x10, na całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, wskazanym na fig. 1F, dokładnie wytyczonym wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG. Rozmieszczenie kontaktów przedstawiono na fig. 2. Kontakty umieszczone są na biokompatybilnym i niereaktywnym materiale przy użyciu np. technik litografii poliamidowej. Średnica kontaktów jest dostatecznie niska i wynosi mniej niż 100 mikrometrów, aby umożliwić odbieranie sygnałów LFP z poszczególnych kolumn korowych.

Jak pokazano na fig. 4, kontakty elektrody sczytującej E połączone są z układem akwizycji UA, który połączony jest bezprzewodowo poprzez Bluetooth z układem przetwarzania UP na tablecie albo smartfonie, który z kolei połączony jest z układem analizy UN zrealizowanym w tej samej postaci, który połączony jest z monitorem M. Układ akwizycji UA stanowi jedno urządzenie pozyskujące U1, a układy UP i UN wchodzą w skład drugiego urządzenia komputerowego U2. Układy UA, UP i UN przedstawiono w szczegółach poniżej.

Jak pokazano na fig. 6, układ akwizycji UA składa się ze wzmacniacza 1, dokonującego wzmocnienia sygnału pozyskanego z kontaktów elektrod do amplitud umożliwiających analizę metodami przetwarzania sygnału takimi, jak krótko-czasowa transformacja Fouriera, połączonego z konwerterem analogowo-cyfrowym 2, dokonującym zmiany sygnału na postać cyfrową, który połączony jest z buforem 3, zrealizowanym w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącego częścią pamięci operacyjnej układu. Bufor 3 połączony jest bezprzewodowo z układem filtracji 4, znajdującym się w układzie przetwarzania UP. Układ filtracji 4, który dokonuje podziału sygnału na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości połączony jest z układem pomiaru mocy 5, w którym dla sygnałów w paśmie częstotliwości powyżej 50 Hz, za pomocą metody analizy częstotliwościowej wyznaczany jest spektrogram, a następnie wyznaczany jest profil mocy poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu. Układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych 5 połączony jest z układem klasyfikującym 7 i układem optymalizacji 9. Układ klasyfikujący 7 połączony jest z układem decyzyjnym 8 i układem optymalizacji 9. Układ decyzyjny 8 połączony jest z ekranem M urządzenia komputerowego U2, np. tabletu.

Sposób działania

W warunkach szpitalnych po wykonaniu operacji wszczepienia elektrody sczytującej E i urządzenia pozyskującego U1, pacjentowi prezentowane są na ekranie M urządzenia komputerowego U2 lub podłączonym do niego monitorze M podstawowe słowa z życia codziennego i ilustrujące je obrazy. Z wykorzystaniem sposobu działania opisanego poniżej dla każdego słowa/obrazu pozyskiwana jest aktywność elektrofizjologiczna towarzysząca wystąpieniu słów, wyświetlonych na ekranie, która następnie zapisywana jest jako wzorzec w postaci profili mocy i/lub potencjałów polowych w pamięci urządzenia komputerowego U2. Następnie, w życiu codziennym ta zapisana aktywność pozyskiwana jest z pamięci urządzenia komputerowego U2 i porównywana w układzie klasyfikującym z bieżącą aktywnością elektrofizjologiczną.

Sygnał z siatki elektrody sczytującej E, z kontaktami o maksymalnej wielkości 100 mikrometrów, rozmieszczonymi geometrycznie w równych odległościach od siebie w siatce 10x10 kontaktów, na całkowitej powierzchni maksymalnie 5 cm x 5 cm ze środkiem w centrum obszaru aktywności przedniej brzuszno-bocznej kory przedczołowej, wskazanym na fig. 1F, dokładnie wytyczonym wcześniej za pomocą inwazyjnej lub nieinwazyjnej techniki pomiaru sygnałów EEG, jest przesyłany do wzmacniacza 1, w którym jest wzmacniany do amplitud umożliwiających analizę metodami przetwarzania sygnału takimi, jak krótko-czasowa transformata Fouriera, a następnie przesyłany do konwertera analogowo-cyfrowego 2, zamieniającego sygnał na postać cyfrową przesyłaną do bufora 3, zrealizowanego w postaci bufora kołowego o długości co najmniej 800 próbek i będącym częścią pamięci operacyjnej układu. Układy te stanowią część układu akwizycji UA implantowanego w głowie lub klatce piersiowej pod obojczykiem, tak jak w przypadku urządzeń do terapii Deep Brain Stimulation (DBS). Układ UA zasilany jest baterią ładowaną bezprzewodowo lub baterią długoletnią do wymiany chirurgicznej, jak w przypadku urządzeń do terapii DBS. Sygnały o długości N próbek pozyskiwane z bufora 3 są przesyłane bezprzewodowo w technologii Bluetooth do układu filtracji 4, w którym dzielone są na pasma częstotliwości z wykorzystaniem filtrów o skończonej odpowiedzi impulsowej dla pasm fal gamma oraz wyższych pasm częstotliwości. Sygnały podzielone według pasm częstotliwości w układzie filtracji 4 przesyłane są do układu detekcji uszkodzeń 6, w którym wykrywane są niesprawne kontakty lub przewody, z wykorzystaniem czasowej metody detekcji zaszumienia sygnału, np. poprzez odjęcie energii sygnału w wybranym paśmie od energii sygnału w sąsiadującym wyższym paśmie zawierającym częstotliwość podstawową lub harmoniczną prądu i porównanie otrzymanej różnicy z progiem. Podzielone na pasma częstotliwości sygnały wysyłane są również do układu pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych 5, w którym poprzez uśrednienie wartości częstotliwości w każdym segmencie spektrogramu otrzymanego z wykorzystaniem metody analizy częstotliwościowej wyznaczany jest profil mocy sygnału w tych pasmach częstotliwości lub w dziedzinie czasu wyznaczane są potencjały polowe poprzez obliczenie średniej amplitudy w obrębie segmentu n próbek, dodanie do niej wartości progowej i identyfikację miejsc, w których amplituda przekracza tę sumę. Wyznaczone w układzie pomiaru mocy 5 profile mocy w każdym z pasm częstotliwości i/lub potencjały polowe przesyłane są do układu klasyfikującego 7, działającego w oparciu o sztuczne sieci neuronowe, który dokonuje klasyfikacji na klasy, spośród których każda określa rozpoznane słowo, w oparciu o wzorce przebiegu mocy i/lub potencjałów polowych pozyskane według tego samego sposobu działania w warunkach szpitalnych i zapisane w pamięci urządzenia komputerowego U2. Przykładowo, myślenie przez użytkownika, że napiłby się kawy powoduje pojawienie się impulsów aktywności w zakresie wysokich częstotliwości 70-300 Hz o specyficznych dla słowa kawa i powtarzalnych częstotliwościach, np. dwa impulsy z czego pierwszy ma częstotliwość 180 Hz a drugi 220 Hz. Przedstawiono to na fig. 3, na którym rysunek po lewej stronie przedstawia dwa impulsy aktywności wysokoczęstotliwościowej pojawiające się po wyświetleniu słowa „kawa” na ekranie - oznaczone strzałką na spektrogramie; 0 oznacza moment wyświetlenia słowa, a rysunek po prawej stronie przedstawia te same dwa impulsy widoczne w momencie, kiedy użytkownik myśli o tym słowie/koncepcji z nim związanej - użytkownik przypomina je sobie - 0 oznacza moment wypowiedzenia słowa „kawa”. W oparciu o informację o klasie zidentyfikowanej w układzie klasyfikującym 7 i dane z układu optymalizacji 9, działającego w oparciu o uczenie maszynowe, np. z wykorzystaniem metody uczenia indukcyjnego, w układzie decyzyjnym 8 określa się o jakim słowie/koncepcji w danym momencie myśli użytkownik wynalazku, co pozwala odpowiednio wyświetlić to słowo lub obraz na ekranie urządzenia komputerowego U2. W pamięci układu optymalizacji 9 zapisywana jest informacja z układu klasyfikującego 7 o wybranej klasie określającej słowo i zapisywany jest identyfikator kontaktu elektrody sczytującej E, z którego pozyskano sygnał do przetwarzania. W pamięci układu optymalizacji 9 zapisywane są również profile mocy sygnału w każdym z pasm częstotliwości, pozyskane z układu pomiaru mocy 5. Układ optymalizacji 9 dokonuje długoczasowej analizy tych danych w oparciu o uczenie maszynowe w celu wyeliminowania efektu starzenia się wzorców i w celu zapewnienia poziomu uogólniania umożliwiającego trafne podejmowanie decyzji w układzie 8.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do komunikacji pomiędzy światem zewnętrznym a mózgiem w obszarze kory przedczołowej i akwizycji sygnałów z tego obszaru, zawierający co najmniej jedną elektrodę sczytującą (E), która połączona jest przewodowo lub bezprzewodowo z układem akwizycji (UA), który jest połączony z układem przetwarzania (UP), który połączony jest z układem analizy (UN), który połączony jest z monitorem (M), znamienny tym, że akwizycja sygnałów następuje w obszarze przedniej, brzuszno-bocznej (anterior ventro-lateral prefrontal cortex; anterior VLPFC) pomiędzy polem Broca (pole Brodmanna 44 i 45), biegunem czołowym (pole Brodmanna 10 i 11) i przednią grzbietowo-boczną korą przedczołową (pole Brodmanna 46) a co najmniej jedna elektroda sczytująca (E), posiada co najmniej jeden kontakt umożliwiający pozyskiwanie sygnału LFP lub która jest makroelektrodą iEEG z jednym kontaktem montowanym w korze mózgowej lub na jej powierzchni, natomiast układ akwizycji (UA), który połączony jest z elektrodą sczytującą (E), zawiera wzmacniacz (1), który połączony jest z konwerterem analogowo-cyfrowym (2), który powiązany jest z buforem (3), który z kolei powiązany jest z układem filtracji (4) w układzie przetwarzania (UP), przy czym układ filtracji (4) połączony jest z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), w którym zaimplementowana jest znana metoda analizy częstotliwościowej sygnału, zaś układ pom iaru mocy i/lub potencjałów polowych (5) połączony jest z układem klasyfikującym (7), znajdującym się w układzie analizy (UN), poprzez układ detekcji uszkodzeń (6) do wykrywania niesprawnych kontaktów lub przewodów przy czym układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5) połączony jest również bezpośrednio z układem klasyfikującym (7), zaś układ klasyfikujący (7) połączony jest z układem decyzyjnym (8), który połączony jest dwukierunkowo z układem optymalizacji (9), a ponadto układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5) oraz układ klasyfikujący (7) połączone są z układem optymalizacji (9), zaś układ decyzyjny (8) połączony jest z monitorem (M).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w układzie przetwarzania (UP) układ filtracji (4) połączony jest poprzez układ detekcji uszkodzeń (6) z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), a także układ filtracji (4) połączony jest bezpośrednio z układem pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5), przy czym układ pomiaru mocy i/lub potencjałów polowych (5) połączony jest z układem klasyfikującym (7).