Способ исследования мозга и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к медицине и, в частности, к методам исследования мозга. Способ позволяет одновременно с измерением и исследованием электрических процессов, измерять и исследовать тепловое поле головы. Для этого снимают электроэнцефалограмму (ЭЭГ) до и после предъявления стимула, проводят математическую обработку. Вычисляют спектр мощности ЭЭГ или коэффициент синхронности электрических процессов в каждой точке расположения электрода по отношению к соседним. Определяют изменение величины полученных значений после стимула и представляют результаты вычислений в виде топографической карты. Дополнительно в точках расположения электродов измеряют температуру, рассчитывают ее алгебраическую разность и вносят в карту. Для реализации способа используют устройство, которое состоит из измерительно-передающего блока с преобразователями температуры в электрический сигнал и соответствующего числа вторых усилителей, выходы которых соединены с вторыми выходами коммутатора. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к медицине и, в частности, к диагностике заболеваний мозга.

Известны способы исследования мозга, основанные на измерении его электрической активности [1,2].

Известен способ исследования мозга, являющийся прототипом, который основан на измерении электрических потенциалов (снятие электроэнцефалограмм) во множестве точек на поверхности головы пациента и математической обработки полученных результатов по различным критериям, например, путем вычисления мощности или когерентности спектров сигналов, синхронности электрических процессов и т.п., при этом результат математической обработки представляют в виде топографической карты, привязанной к анатомическим ориентирам [3].

Данный способ позволяет диагностировать ряд заболеваний головного мозга, а также исследовать работу мозга при предъявлении пациенту различных стимулов.

В качестве стимулов могут быть использованы самые различные факторы, например, световые и звуковые раздражители, введение лекарственных препаратов, задание пациенту решить математическую задачу и т.п.

По характеру изменений топографической карты за счет воздействия стимула судят о реакции мозга на предъявленный стимул и, следовательно, о его работе. Вместе с тем известно, что работе мозга сопутствует не только появление электрических и магнитных сигналов полей, но также и других полей, в частности, теплового поля.

Тепловое поле представляет особый интерес, так как отражает качество кровенаполнения различных участков мозга. Существующие способы исследования работы мозга не позволяют одновременно с анализом электрических процессов, происходящих в мозге, измерять и анализировать тепловые процессы.

Предлагаемый способ исследования мозга свободен от указанного недостатка и наряду с регистрацией электрической активности мозга обеспечивает возможность измерения температуры, которая в некоторой степени отражает тепловые процессы, происходящие внутри мозга. Способ, наряду с известной последовательностью операций, предусматривает введение ряда новых операций, состоящих в измерении в тех же или соседних с ними точках температуры до и после воздействия стимула, вычислении алгебраической разности этих температур и представлении результатов вычислений в виде топографической карты, привязанной к анатомическим ориентирам головы.

В качестве стимула может быть применен кратковременный нагрев крови в области шеи, например, с помощью теплового компресса или высокочастотного электромагнитного поля. Такая последовательность операций, обеспечивающая относительное изменение температуры за счет воздействия стимула, в отличие от измерения абсолютной температуры, позволяет исключить практически все погрешности, связанные с измерением абсолютных температур, и зафиксировать очень малые изменения температуры (менее 0,01^o), которые косвенно отражают температурные процессы, происходящие внутри мозга. Измерять температуру можно как инвазивным, например, с помощью иглы с вмонтированной на конце термопарой - иглы Джибса [11], так и неинвазивным - путем измерения температуры на поверхности черепа. В последнем случае точность измерения ухудшается из-за экранирующего действия костей черепа.

Известны устройства, обеспечивающие измерение электрических потенциалов на поверхности головы исследуемого пациента (снятие электроэнцефалограмм) и их математическую обработку [5,6].

Известны устройства, обеспечивающие измерение температур, в том числе и регистрацию температурного поля [7,8,9].

Устройства, обеспечивающие одновременную регистрацию на голове пациента как электрического, так и теплового поля, неизвестны.

Недостатком существующих регистраторов электрических процессов мозга является наличие проводной связи между измерителями электрических потенциалов, располагаемыми на голове пациента и регистрирующей аппаратурой. То же самое можно сказать и об устройствах, регистрирующих температурные поля.

Наличие проводной связи между пациентом и регистрирующей аппаратурой ограничивает область применения предлагаемого способа, в частности, не позволяет проводить исследования пациента при предъявлении ему двигательных стимулов.

Этих недостатков лишено устройство для электроэнцефалографических исследований [10] , взятое в качестве прототипа. Это устройство состоит из двух частей, измерительно-передающего блока смонтированного в шлеме, надеваемом на голову пациента, и приемно-регистрирующего блока, находящегося на некотором расстоянии от пациента в зоне уверенного приема электромагнитных волн. Измерительно-передающий блок включает в себя электроды для снятия электрических потенциалов, усилители, коммутатор, АЦП, кодер и передатчик электромагнитного сигнала, соединенные последовательно. Приемно-регистрирующий комплекс включает в себя последовательно соединенные приемник электромагнитного сигнала, декодер и ЭВМ.

Недостатком этого устройства является отсутствие у него возможности одновременно с регистрацией электрических процессов, производить измерение и анализ тепловых процессов, отражающих работу мозга пациента.

Данный недостаток устранен в предлагаемом устройстве для исследования работы мозга, у которого в известное устройство, дополнительно введены преобразователи температуры в электрический сигнал и соответствующее количество усилителей, при этом выходы преобразователей соединены со входами усилителей, выходы которых соединены со входами коммутатора.

Таким образом, введение новых элементов в известное устройство и образование новых связей между ними позволяет получить новое, неизвестное ранее свойство, а именно: возможность одновременной регистрации как электрических, так и тепловых полей на голове исследуемого пациента. Это, в свою очередь, позволяет утверждать, что предлагаемый способ и реализующее его техническое устройство соответствуют требованиям критерия "существенность отличий".

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ исследования мозга.

Устройство состоит из измерительно-передающего блока (ИПБ) 1, располагаемого на голове пациента и приемно-регистрирующего комплекса (ПРК) 2, располагаемого в зоне уверенного приема электромагнитных волн, излучаемых ИПБ.

В состав ИПБ 1 входят: электроды 3-1, 3-2,...3-n, для снятия электрических потенциалов; усилители электрических потенциалов 4-1,4-2,... 4-n; преобразователи температуры 5-1,5-2,...5-n в электрический сигнал, располагаемые на поверхности головы пациента, либо вводимые инвазивно внутрь мозга, например, с помощью иглы Джиббса [11]; усилители электрического сигнала 6-1,6-2,. . .6-n, образуемого на выходах преобразователей температуры; коммутатор - 7; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - 8; кодирующее устройство (кодер) - 9; передатчик электромагнитных волн - 10; автономный источник питания - 11.

Приемно-регистрирующий комплекс (ПРК) включает в себя: приемник электромагнитных волн - 12; декодирующее устройство (декодер) - 13; ЭВМ - 14.

В качестве электродов для снятия потенциалов могут быть использованы любые электроэнцефалографические электроды. Выходы электродов 3 соединены со входами усилителей 4. В месте расположения электродов 3 или с ними на голове исследуемого пациента устанавливаются преобразователи температуры в электрический сигнал, в качестве которых могут быть использованы любые преобразователи (термопары, термосопротивления и т.п.), обеспечивающие высокую стабильность преобразования в течение эксперимента.

Выходы преобразователей температуры 5 соединены со входами усилителей 6.

Выходы всех усилителей (4 и 6) соединены со входами коммутатора 7, выход которого соединен со входом АЦП 8. АЦП преобразует напряжение, поступающее на его вход с выхода коммутатора 7, в параллельный цифровой код. АЦП должен иметь достаточно большую разрядность (не менее 10), чтобы регистрировать очень малые изменения температуры. Выходы АЦП поразрядно соединены с соответствующими входами кодера 9, который преобразует параллельный двоичный код, поступающий с выхода АЦП в последовательный двоичный код. В качестве кодера может быть использован любой стандартный преобразователь параллельного кода в последовательный, например, кодер, преобразующий параллельный двоичный код в последовательный двоичный код в стандарте "Манчестер - 2". Выход кодера 9 соединен со входом передатчика 10. Работа коммутатора, АЦП и кодера координируется устройством управления на основе программируемого временника (не показано).

В качестве передатчика может быть применен как передатчик, работающий в диапазоне радиоволн, так и излучатель, работающий в диапазоне световых или инфракрасных волн. В последнем случае в качестве передатчика может быть использован светодиод.

Сигнал передатчика 10 модулируется импульсами, поступающими на его вход с выхода кодера 9. В качестве приемника 12 может быть применен либо приемник радиоволн (если излучаются радиоволны), либо фототранзистор, если канал связи работает в области световых или инфракрасных волн. Выход приемника 12 соединен со входом декодера 13, в качестве которого может быть использован стандартный декодер, например, декодер двоичного кода в стандарте "Манчестер-2". Выход декодера 13 соединен со входом ЭВМ 14.

Ниже описывается последовательность операций, применяемых в предлагаемом способе исследования мозга, а также работа устройства, реализующего этот способ.

1. После подготовки устройства к действию (установки ПРК на голове пациента, включения всех блоков) пациенту предлагают некоторое время посидеть в расслабленном состоянии, ни о чем не думая. В это время снимаются фоновые электроэнцефалограммы и фоновое тепловое поле. Работа устройства при реализации этой операции происходит следующим образом.

Коммутатор 7 с частотой квантования последовательно опрашивает выходы всех усилителей 4, напряжение которых пропорционально электрическому потенциалу поверхности головы пациента в месте установки электродов (потенциал измеряется относительно референтной точки на подбородке или мочках ушей - на схеме не показаны), а также выходы усилителей 6, напряжение которых пропорционально температуре, измеренной преобразователями температуры 5.

Все эти напряжения через коммутатор 7 поочередно поступают на вход АЦП, который преобразует их в двоичный код. Далее этот код с помощью кодера 9 и излучателя 10 передается в приемно-регистрирующий комплекс 2, где принимается, декодируется и вводится в ЭВМ 14. ЭВМ производит математическую обработку электроэнцефалограмм по одному из указанных выше критериев и результаты этой обработки, а также фоновые значения температур вводятся в память ЭВМ.

2. Пациенту предъявляют стимул, например, ему предлагают решать математическую задачу, совершать двигательный тест, предоставляют зрительную или звуковую информацию, вводят лекарственный препарат, производят иглоукалывание и т.п.

Особо следует отметить применение в качестве стимула кратковременного нагрева крови в районе шеи, например, с помощью высокочастотного поля. Этот стимул может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с другими стимулами. После кратковременного нагрева кровь, поступаемая по артерии в головной мозг, распределяется там по различным отделам и ее распределение зависит от интенсивности работы того или иного отдела, а также от наличия различных патологий. Эта неравномерность распределения крови неминуемо вызовет изменение температурного поля головы по сравнению с фоновым температурным полем. По характеру изменения температурного поля можно судить о работе того или иного отдела мозга.

При использовании нагрева крови в комбинации с другими стимулами одновременно с топограммой теплового поля снимается топограмма электрического поля и вычисляется ее изменение за счет предъявления стимула. Такое комбинированное использование одновременно двух разных принципов даст значительно более глубокую информацию о работе мозга. Устройство при реализации операции п.2 работает точно так же, как и при реализации операции по п.1.

3. Вычисляют изменение электрической активности в каждой точке, например, с использованием U - критерия Манна - Уитни, а также алгебраическую разность температур в этих же точках до и во время действия стимула.

Результаты вычислений изменения электрической активности мозга за счет воздействия стимула представляют в виде цветной или черно-белой топографической карты, выведенной на экран монитора ЭВМ.

Рядом с топографической картой изменения электрической активности представляют топографическую карту алгебраических разностей температур в каждой точке. В процессе построения топографических карт производят интерполяцию выводимых показателей, например, по линейному закону.

В настоящее время топографические карты электрической активности мозга широко используются для диагностики различных заболевания, для изучения тонких состояний мозга (сознания, мышления, эмоции) для определения эффективности действия лекарственных препаратов и их дозировки и т.п.

Дополнение карт электрической активности картами теплового поля даст в руки врачей и исследователей новую информацию, не выявляемую с помощью измерения электрической активности, в частности, информацию о кровеснабжении различных отделов мозга и изменении этого кровеснабжения при предъявлении пациенту различных стимулов.

Источники информации 1. Способ и устройство для исследования энцефалограмм и определение характеристик потенциалов головного мозга. Заявка ЕПВ N 0437012, кл. А 61 B 5/0484, 1991.

2. Кросс-корреляционный анализ графиков электрической активности мозга. Патент США N 4844086, кл. A 61 B 5/04, 1989.

3. Система для получения топографического изображения электрической активности мозга человека. Заявка РСТ N 83/03745, кл. A 61 B 5/04, 1983.

4. Многоканальный цифровой термометр. а.с. СССР N 1234730, 1986.

5. Устройство для снятия ЭЭГ головного мозга. Заявка РСТ 189/09019, кл. A 61 B 5/04, 1989.

6. Прибор для статистического анализа электроэнцефалограмм. а.с. СССР N 1105185, кл. А 61 В 5/04, 1982.

7. Устройство для многоточечного измерения температуры. а.с.СССР N 1377612, 1988.

8. Устройство для многоточечного измерения температуры. а.с. СССР N 1432346, 1988.

9. Многоканальное устройство для измерения температуры. а.с. СССР N 1446489, 1988.

10. Устройство для электроэнцефалографических исследований. а.с. СССР N 1734687, кл. А 61 В 5/04, 1989.

11. Gibbs F.A. 1933, Proc. Soc. Exper. Biol. Med. 31; 141.

Формула изобретения

1. Способ исследования мозга, включающий снятие электроэнцефалограммы (ЭЭГ) во множестве точек с поверхности головы до и после предъявления стимула, проведение математической обработки по одному из критериев: вычисление спектра мощности ЭЭГ или коэффициента синхронности электрических процессов в каждой точке расположения электрода по отношению к соседним, определение изменений величины полученных значений после стимула и представление результата вычислений в виде топографической карты с анатомическими ориентирами, отличающийся тем, что дополнительно в точках расположения электродов на поверхности мозга или головы пациента измеряют температуру и рассчитывают алгебраическую разность ее изменения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве одного из стимулов применяют кратковременный нагрев крови в районе шеи, например, с помощью теплового компресса или высокочастотного электромагнитного поля.

3. Устройство для исследования мозга, состоящее из измерительно-передающего блока, располагаемого на голове пациента, включающего в себя электроды для снятия электрических потенциалов, первые усилители, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, кодер и передатчик электромагнитного сигнала, соединенные последовательно, а также устройство управления, выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами коммутатора, аналого-цифрового преобразователя и кодера, приемно-регистрирующего комплекса, состоящего из последовательно соединенных приемника электромагнитных сигналов, декодера и ЭВМ, отличающееся тем, что в состав измерительно-передающего блока введены преобразователи температуры в электрический сигнал и соответствующее число вторых усилителей, выходы которых соединены с вторыми входами коммутатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1