Эта заявка является продолжением заявки на патент США "Устройство и способы с использованием электроэнцефалографической невральной обратной связи для тренировки и прослеживания познавательного состояния", серийный N 07/940190, зарегистрированной 3 сентября 1992, которая частично является продолжением заявки на патент США "Устройство и способ тренировки Тэнси: устройство, процедура и способ, использующие электроэнцефлографическую невральную обратную связь для отслеживания и тренировки познавательных состояний и ремиссии расстройств, характеризуемых церебральной дисфункцией", серийный N 07/831182, зарегистрирована 5 февраля 1992, полный текст и содержание которой включены в данную заявку путем упоминания.
Предпосылки изобретения
1. Область изобретения
Изобретение относится к устройству и способу для мониторинга, анализа и использования данных об электрических волнах мозга.
2. Описание литературных данных
Мозг человека может быть рассмотрен в качестве функционально взаимосвязанных синаптических проводящих путей и невральной возбудимой матрицы. Эти проводящие пути и матрицы предназначены для функционального ответа и дальнейшего развития при использовании. Это является основой для все прогрессирующего обучения. В каждый данный момент мозг радиирует избыток событий, целей и состояний, которые связаны с невральными разрядными структурами. Невральные разрядные структуры могут быть определены как сигнатуры электрических волн мозга. Сигнатуры электрических волн мозга могут быть связаны с познавательными состояниями человека, обучением, интеллектуальной способностью и неспособностью.
Значительное число исследований было направлено на изучение биологической обратной связи сигналов от электрических волн мозга, известных как электроэнцефалографические (ЭЭГ) сигналы. Одно из обычных нейрофизиологических исследований установило функциональную связь между подведением и частотными полосами в диапазоне 15 - 20 Гц, которые относятся к ЭЭГ активности, связанной с сенсомоторным ритмом коры головного мозга (СМР) Sterman, M.B, Lopresti, R. W. & Faiechild, M.D (1969). Электроэнцефалографические и поведенческие исследования токсичности монометилгидразина на кошке. Technical Report AMRL-TR-69 3, Wright - Patterson Air Force Base, Ohio, Air Systems Command. Способность кошек поддерживать мышечное спокойствие, быстро выполнить точные, сложные и координированные последовательности движений и вернуться в состояние спокойствия излучалась путем мониторинга волн мозга в 14 циклов. Волна мозга, как определено, является прямо соответствующей подавлению мышечного напряжения и спазма. Продемонстрировано также, что кошки могут быть тренированы, чтобы повысить силу конкретных структур волны мозга, связанной с подавлением мышечного напряжения и спазма. После этого, когда кошкам вводились лекарства, которые могли бы вызвать спазмы, кошки, которые были тренированы для усиления их волн мозга, были устойчивы к действию лекарств.
Волну мозга СМР в полосе 12-15 Гц использовали для обычных тренировок с помощью ЭЭГ биологической обработки связи для исправления патологического недовозбуждения мозга. В частности, следующие расстройства лечились, используя тренировку с помощью биологической обратной связи: эпилепсия (как показано в работе M.B. Sterman 1973, "Нейтрофизиологические и клинические исследования тренировки с помощью ЭЭГ биологической обратной связи: некоторые эффекты влияния на эпилепсию" L.Birk (Ed) Biofeedback: Benavioral Medicine New Yock: Grune and Stratton), синдром Жиля де ля Туретта и мышечные тики (как показано в работе автора, 1986, "Простой и сложный тик (синдром Жиля де ля Туретта): их отклик на тренировки с использованием ЭЭГ биологической обратной связи по сенсомоторному ритму" International Journal of Psychophysiology, 4,91-97 (1986), гиперактивность) описано в работе M.N.Shouse & J.F. Lubar, озаглавленной "Объективная обусловленность ритмов ЭЭГ и риталин для лечения гиперкинеза", Biofeedback and Self-Regulation, 4,299-312 (1979), расстройства чтения (описаны Tansey, M.A. & Bruner, R.L. в "Тренировка с использованием биологической обратной связи по ЭМГ и ЭЭГ при лечении десятилетнего гиперактивного мальчика с расстройством чтения, связанным с развитием", Biofeedback and Self-Regulation 8, 25-27 (1983), неспособность к учебе, связанная с обнаружением плотно расположенных структур амплитуд различных волн мозга (описано в работе Lubar, Bidnchini, Calhoun, Lamdert, Brody & Shabsin под названием "Спектральный анализ различий ЭЭГ у детей без и с неспособностью к учебе", Journal of Learning Disabilites 18, 403-408 (1985), и различные виды неспособности к учебе (описано M.A. Tansey в "Сигнатуры волн мозга - индекс, отражающий функциональную нейроанатомию мозга: дальнейшие обнаружения влияния тренировки с использованием ЭЭГ биологической обратной связи по сенсомоторному ритму на нейрологические предвестники неспособности к учебе" International Journal of Psychophysiology 3, 85-89 (1985). В целом, большое разнообразие расстройств, симптомология которых включает ослабленный волевой контроль над своими собственными мышцами и пониженный церебральный порог перегрузки под действием стресса, как обнаружено, являются излечимыми с помощью "упражнений" дополнительной и сенсомоторной областей мозга.
Обычные способы и устройства ЭЭГ биологической обратной связи упоминают волновую активность мозга в терминах больших полос ЭЭГ. Как таковая, волновая активность мозга традиционно классифицируется следующим образом: дельта-волны лежат в диапазоне частот от 0 до 3,5 Гц, тета-волны лежат в диапазоне частот от 4 до 7 Гц, альфа-волны лежат в диапазоне частот от 8 до 13 Гц, бета-волны в диапазоне частот приблизительно 13 Гц и волны сенсомоторного ритма (СМР) лежат в диапазоне частот от 12 до 15 Гц. Несколько патентов направлены на мониторинг ЭЭГ в терминах чувствуемых амплитуд и процентных отношений альфа, тета, дельта и СМР волн.
Патент США N 4928704 описывает способ и устройство биологической обратной связи для тренировки личности для развития пригодных к использованию степеней волевого контроля собственной ЭЭГ активности. Датчики ЭЭГ прикрепляют к кортикальным участкам на голове личности для регистрации энергии ЭЭГ. Электрическую энергию ЭЭГ фильтруют в заранее заданные субполосы альфа, тета, бета и дельта. Другие патенты, направленные на ЭЭГ биологическую обратную связь с помощью альфа, тета, бета, дельта и СМР волн, включают патенты США N 3855988, 4140997, 4883067, 4919143, 5024235 и Европейский патент N 375106
Патент США N 4746751 описывает систему для визуализации многоканальных данных ЭЭГ. При осуществлении этого способ и устройство включают усреднение сигнала вызванного потенциала ответа (ВПО). Суммарный сигнал усредненной карты мозга может быть соединен в одно целое, включая отражение среднего количества общей энергии, наблюдаемой со многих участков электродов. В ВПО субъект получает набор стимулов, которые вызывают волны мозга. Другие примеры патентов, направленных на ВПО, включают патенты США NN 4498080, 4926969 и РСТ заявку на патент N 8303745.
Патент США N 4926969 (969) цитировался в заявке на патент автора, серийный N 831182. Патент '969 описывает сенсорно движимый контроллер, сконструированный для детектирования вызванных потенциалов ответа как результата стимулов, представленных личности. Сигналы ЭЭГ, принятые от субъекта на электродах, усиливают и фильтруют для усиления коррекляционной процедуры и процедуры усреднения для установления шаблона ВПО. Шаблон ВПО сравнивают с детектируемыми потенциалами вызванного ответа для определения степени подобия между двумя сигналами.
Главным недостатком обычных исследований ЭЭГ биологической обратной связи является плохое разрешение частотных волос волн мозга, даваемое обыкновенными полосовыми фильтрами, используемыми в качестве начальной стадии электронной обработки сигналов. Другим недостатком является то, что полосовые фильтры легко перегружаются из-за повышения электрической энергии или медленных волн большой амплитуды. Повышение электрической энергии сопровождает мышечное движение, а медленные волны активности большой амплитуды сопровождают многие церебральные расстройства. Эти нежелательные, но слишком часто встречающиеся источники загрязнения сигнала упоминаются как артефакты. Анализ частотных полос зависит от дифференциальных предварительных усилителей, которые увеличивают во многие сотни раз (то есть до 50000 раз) биологические сигналы и любые сопровождающие артефакты. Такие электронные/механические улучшители качества сигнала вносят вклад в погрешность мониторинга сигналов ЭЭГ.
Еще одним недостатком обычного механического фильтрования в полосы прохождения является то, что для тренировки конкретных состояний мозга используются случайные и неточные ширины полос. Подробный анализ форм волн является главным в протоколах опытов по ЭЭГ биологической обратной связи. Дополнительными недостатками обычных систем является их опора на мультиплексоры (коммутаторы), которые могут дискретизировать соответствующий частотной полосе сигнал со скоростью одна дискретизация за секунду времени. Например, когда производится мониторинг в формы волны с частотой 14 циклов в секунде в сигнал в 14 Гц, только один компонент является измеряемым, таким образом, 13 из 14 компонентов формы волны теряются. Литературные данные также имеют недостаток, являясь ограниченными представлениями дельта, тета, альфа, бета и СРН.
Устройство для одновременного мониторинга форм в непрерывном диапазоне от 0 до 90 Гц не было обнаружено в литературе.
Фиг. 1 является схематической диаграммой устройства данного изобретения.
Фиг. 2 является схематической диаграммой компьютерного устройства данного изобретения.
Фиг. 3 является видом спереди дисплея данного изобретения для состояния "тяжелые руки".
Фиг. 4 является видом спереди дисплея данного изобретения для состояния "теплые руки"
Фиг. 5 является видом спереди дисплея данного изобретения для состояния "тяжелые теплые руки".
Фиг. 6 является видом спереди дисплея данного изобретения для "счастливого" состояния
Фиг. 7 является видом спереди дисплея для посттравматического стрессового расстройства с состоянием закрытого ушиба головы.
Краткое описание изобретения
Описывая кратко, изобретение содержит устройство для мониторинга и манипулирования биоэлектрическими данными и данными биологической обратной связи в диапазоне от приблизительно 0 до приблизительно 90 Гц. Устройство, как правило, включает запись и представление на дисплее форм волны в окнах в 1 Гц или менее.
В предпочтительном воплощении активный электрод монтируют вдоль средней линии черепа личности. Электрод сравнения и основной электрод располагают на противоположных ушах личности. Биоэлектрические электрические сигнала ЭЭГ личности детектируют с помощью активного электрода сравнения и основного электрода. Предварительный усилитель усиливает и оптически изолирует детектируемые биоэлектрические сигналы. Усиленные данные передаются к устройству обработки сигналов. Предпочтительно устройство обработки сигналов является процессором числового сигнала компьютера. Компьютер, пригодный к использованию в практике данного изобретения, производится NeXT, Inc, как NeXT ® Station NeXT, ® является зарегистрированной торговой маркой NeXТ Computer, Inc.
Процессор сигнала производит быстрое Фурье-преобразование усиленного биоэлектрического сигнала для определения амплитуды биоэлектрического сигнала. Программное обеспечение для биологической обратной связи позволяет пользователю производить мониторинг биоэлектрического сигнала в частотных полосах с шириной, представляющей интерес, из детектируемых биоэлектрических сигналов. Окно в 1 Гц или менее выбирают вокруг частотной полосы биоэлектрического сигнала, представляющей интерес. Например, если пользователь выбирает для мониторинга частотную полосу биоэлектрического сигнала в 14 Гц, окно составляет от приблизительно 3,5 Гц до приблизительно до 14,5 Гц. Амплитуда биоэлектрического сигнала, относящаяся к частотной полосе, представляющей интерес, может быть представлена на дисплее в первом окне на дисплее компьютера. Также среднее значение амплитуды биоэлектрического сигнала по времени может быть представлено на дисплее во втором окне дисплея компьютера. Амплитуды частотных полос за время наблюдения, представляющих интерес, хранятся в памяти компьютера, так что мониторинг может быть повторен. Также детектируемые амплитуды для всех частотных полос в диапазоне от 0 до 90 Гц могут храниться в памяти компьютерной рабочей станции.
Тренировка с помощью биологической обратной связи производится путем наблюдения представленных на дисплее амплитуд частотных полос, представляющих интерес, и обеспечения вербальной или музыкальной обратной связи с пользователем, в ответ на изменения в наблюдаемых на дисплее амплитудах.
Подробное описание изобретения.
По ходу этого описания сходные числа будут использоваться для идентификации сходных элементов в соответствии с различными чертежами, которые иллюстрируют изобретение.
Фиг. 1 является схематической диаграммой устройства ЭЭГ биологической обратной связи 10 данного изобретения. В предпочтительном воплощении личность 12 подвергается мониторингу с помощью трех электродов. Активный электрод 14 укрепляют так удобно, как возможно, вдоль средней линии черепа личности 12. Электрод сравнения 16 располагают на одном ухе личности 12, а основной электрод 18 располагают на другом ухе личности 12. Предпочтительно электрод сравнения 16 и основной электрод 18 прикрепляют с помощью ушных клипс. Активный электрод 14 предпочтительно имеет поверхность контакта с длиной приблизительно 6,5 см и с шириной приблизительно 1,3 см. Является очевидным для специалистов, что другие формы и размеры электродов могут быть использованы по доктрине данного изобретения.
Активный электрод 14 предпочтительно расположен продольно вдоль средней линии черепа для перекрывания продольной складки мозга личности 12. Первая полоса 15 расположена вокруг головы параллельно бровям и поперек середины лба 13 личности 12. Вторая полоса 17 расположена поперек верхней части головы личности 12 и соединена с первой полосой 15. Предпочтительно первая полоса 15 и вторая полоса 17 сформированы из эластичного материала. Альтернативно активный электрод 14 может быть частью устройства с наушниками, с электродом сравнения 16 и основным электродом 18, вмонтированными в наушники устройства с наушниками. Для специалистов является понятным, какие типы и расположение электродов могут быть использованы. Например, множество датчиков может быть размещено вдоль множества участков мозга.
Биологические сигналы 20, детектируемые с помощью активного электрода 14, электрода сравнения 16 и основного электрода 18, могут быть определены как исходные данные ЭЭГ личности 12. Биоэлектрические сигналы 20 подаются с помощью линии 21 в предварительный усилитель 22. Биоэлектрические сигналы 20 могут быть в диапазоне от приблизительно 0 до приблизительно 90 Гц. В альтернативном расположении биоэлектрические сигналы 20 могут дистанционно передаваться на предварительный усилитель 22 с помощью передатчика, работающего на радиочастоте. Радиопередатчик может быть прикреплен к первой полосе 15. Этот дистанционный передатчик имеет то преимущество, что дает возможность свободного передвижения пациенту 12 во время мониторинга биоэлектрических сигналов 20. Предварительный усилитель 22 усиливает и оптически изолирует биоэлектрические сигналы 20. Предпочтительно предварительный усилитель усиливает биоэлектрические сигналы с коэффициентом усиления от приблизительно 10 до приблизительно 100. Примером предварительного усилителя, пригодного для использования в практике данного изобретения, является производимый Biofeedback Systems под маркой Medical-Pre-Amplifier Model PA-2M. Усиленный сигнал 24 передавался по линии 25 к процессору сигнала 10 компьютерной рабочей станции 126, как представлено на фиг. 2. Процессор сигнала 100 производит быстрое Фурье-преобразование (БФП) усиленного сигнала 24 для определения амплитуды сигнала. Амплитуда биоэлектрического сигнала определяется в микровольтах. Обработанные биоэлектрические сигналы могут быть определены как сигнатуры волн мозга. Компьютерная рабочая станция, пригодная для использования в практике данного изобретения, производится, как NeXT компьютерная станция. Рабочая станция NeXT включает процессор цифрового сигнала, использующий быстрые Фурье-преобразования. Вычисление БФП производится на компьютерной рабочей станции в режиме реального времени. Детектируемый сигнал анализируется для вычисления амплитуды на каждой из частот в детектируемом диапазоне. Окно до приблизительно 1 Гц вокруг конкретной частоты определяет частотную полосу биоэлектрического сигнала, представляющую интерес. Дискретизация биоэлектрических сигналов 12 на компьютерной рабочей станции 26 производится со скоростью приблизительно в 8000 дискретных сигналов в секунду.
Программное обеспечение 102 компьютерных рабочих станций 26 обеспечивает выбор частотных полос, представляющих интерес, от детектируемых биоэлектрических сигналов 20. Драйвер дисплея 108 взаимодействует с программным обеспечением биологической обратной связи 102 для представления конкретных частотных полос, представляющих интерес, на экране компьютера 28. Предпочтительно экран компьютера 28 обновляется с интервалами в одну секунду при продолжающемся детектировании сигналов 20. Примером программного обеспечения биологической обратной связи, пригодного для использования в практике данного изобретения, является производимое In Sync Institute Inc, под маркой EEG Brainwave Analysis Program.
Значения амплитуд, вычисленные процессором сигнала 100, относящиеся к частотным полосам, представляющим интерес, могут быть сохранены с помощью программного обеспечения для биологической обратной связи 102 в памяти компьютера 106. Значения амплитуд могут храниться в течение всего времени полной процедуры мониторинга волн мозга. В альтернативной конфигурации все значения амплитуд, вычислительных в диапазоне от 0 до 90 Гц, могут храниться в памяти компьютера 106. Программное обеспечение для биологической обратной связи 102 взаимодействует со звуковой системой на компакт-дисках 104 компьютерной рабочей станции 26. Звуковая система на компакт-дисках 104 может использоваться при тренировке личности 12, как описывается с упоминанием последующих чертежей. Звуковая система на компакт-дисках является встроенной в станцию NeXT.
Фиг. 3 иллюстрирует дисплей 61, отображающий сигнатуру конкретной волны мозга. Эта сигнатура волны мозга относится к состоянию "тяжелые руки" личности 12. Для достижения состояния "тяжелые руки" личность 12 просят сосредоточиться на чувстве, что она имеет тяжелые руки. Частотные полосы в 5 ц, 7 Гц, 10 Гц, 12 Гц, 14 Гц, 16 Гц и 28 Гц выбираются как представляющие интерес. Мониторинг пациента 12 с использованием программного обеспечения для биологической обратной связи начинают со щелчком пользователя в окне начала мониторинга 78 и мониторинг пациента 12 прекращают по щелчку мыши пользователя в окне прекращения мониторинга 80 дисплея 61. Амплитуда в окне шириной 1 Гц вокруг каждой детектируемой частотной полосы вычисляется с помощью БФП, как описано выше. На дисплее 61 частотные полосы в 5 Гц, 7 Гц, 10 Гц, 12 Гц, 14 Гц, 16 Гц, 20 Гц и 28 Гц представлены в соответствующих окнах 30a-b, 32a-b, 34a-b, 38a-b, 40a-b, 42a-b, 44a-b. Амплитуда каждой из частотных полос представлена в первой части окна 30a, 32a, 34a, 36a, 38a, 40a, 42a и 44a и прямоугольник, изображающий амплитуду, изображен во втором окне 30b, 30b, 34b, 36b, 38b, 40b, 42b, и 44b. Величина средней амплитуды для каждой частотной полосы представлена в окнах 46a-b, 48a-b, 50a-b, 52a-b, 54a-b, 56a-b, 58a-b и 60a-b. Окна 62a-b, 64a-b, 68a-b, 70a-b, 72a-b, 74a-b и 76a-b обозначают среднюю амплитуду сигнатуры волны мозга. Дисплей 61 показывает, что состояние "тяжелые руки" обуславливает повышенное значение частотной полосы 14 Гц по сравнению с другими представленными частотными полосами.
Дисплей 63 иллюстрирует сигнатуру волны мозга, относящуюся к состоянию "теплые руки" пациента 12, как показано на фиг. 4. Дисплей 63 показывает, что состояние "теплые руки" обуславливает повышенное значение для частотной полосы 28 Гц. Дисплей 65, представленный на фиг. 5, иллюстрирует сигнатуру волны мозга, относящуюся к состоянию "тяжелые, теплые руки" личности 12. В этом состоянии личность 12 просят сконцентрироваться на чувстве "тяжелые теплые руки". Дисплей 65 показывает увеличенное значение для частотных полос 14 Гц и 28 Гц.
Дисплей 67 иллюстрирует сигнатуру волны мозга для состояния "будучи счастливым", как описано на фиг. 6. Состояние "будучи счастливым" показывает повышенные значения в частотных полосах 3 Гц, 7 Гц и 16 Гц.
Из сигнатуры волны мозга на дисплеях 61, 63 и 67 видно, что мониторинг мышечной системы в состоянии "тяжелые руки" увеличивает частотную полосу 14 Гц, мониторинг сосудистой системы в состоянии "теплые руки" увеличивает окно 28 Гц и мониторинг эмоциональной системы в состоянии "будучи счастливым" увеличивает частотные в полосы 7 Гц, 10 Гц и 16 Гц. Дисплеи 61, 63, 67 и 69 могут включать отношение двух длин волн. Например, отношение "7/14" представлено в окне 45. Отношение, меньшее, чем единица, указывает на более высокое значение частотной полосы 14 Гц, чем для полосы 7 Гц.
Фиг. 7 является дисплеем 69 сигнатуры волны мозга для личности с посттравматическим стрессовым расстройством. Низкие значения представлены в окнах 32, 34 и 36 по отношению к частотным полосам 7, 10 и 12 Гц соответственно. Низкие значения иллюстрируют медленное ослабление мозга для личности стрессовым расстройством. Высокое значение показано в окне 35 для частотной полосы 3 Гц. Дисплеи 61, 63, 65, 67 и 69 являются дисплеями реального мониторинга личности с системой 10.
Личность 12 может быть тренирована с использованием системы ЭЭГ биологической обратной связи 10, имея тренировочный монитор сигнатур волн мозга и подавая вербальную обратную связь на клиента в соответствии с наблюдаемой сигнатурой волн мозга. Например, после того, как пациента просят думать о познавательном состоянии, получаемая в результате сигнатура волн мозга, проявляющаяся на дисплее, например, является такой, как показано на дисплее 61. Если пациент 12 отклоняется от думания о желаемом познавательном состоянии (то есть послеполуденный сон или размышления о предстоящей вечеринке), происходит прилив энергии в одну или более частотных полос и сигнатура волны мозга на дисплее изменяется. В это время тренер может вербально привести пациента 12 назад к желаемой сигнатуре волны мозга.
Звуковая система на компакт-дисках 104 может быть также использована для тренировки личности 12. Детектируемая частотная полоса может быть изменена в сторону усиления с помощью звуков из звуковой системы 104. Например, для состояния "тяжелые руки" частотная полоса 14 Гц может быть выбрана с помощью программного обеспечения для биологической обратной связи 102 для мониторинга с помощью звуковой системы 104. Музыкальное напоминание начинает проигрываться с началом мониторинга пациента 12. Громкость музыки повышается, когда детектируется увеличение частотной полосы 14 Гц. Если громкость музыки уменьшается, личность 12 получает сигнал, что концентрация на состоянии "тяжелые руки" уменьшается. Другой пациент 12 может концентрироваться на состоянии "тяжелые руки" для увеличения громкости музыки. Индивидуальное музыкальное напоминание может быть использовано для каждой желаемой частотной полосы, подлежащей мониторингу.
Данное изобретение имеет преимущество мониторинга биоэлектрических сигналов в непрерывном спектре в диапазоне от приблизительно 0 до приблизительно 90 Гц. Сигнатура волн мозга, соответствующая окну вплоть до 1 Гц вокруг частотных полос, представляющих интерес, может быть представлена на дисплее компьютера для простого и точного мониторинга познавательного состояния личности, подвергающейся мониторингу. Личность может быть, если это целесообразно, тренирована с использованием вербальной или музыкальной обратной связи в соответствии с регистрируемой сигнатурой волн мозга.
Хотя изобретение описано с упоминанием предпочтительного воплощения, это описание не рассматривается как ограничивающее. Для специалистов является очевидным, что без удаления от духа и рамок изобретения могут быть произведены модификации.
Система биологической обратной связи предусматривает детектирование биоэлектрических сигналов в диапазоне 0-90 Гц. Биоэлектрический сигнал усиливают с помощью предварительного усилителя. Составную амплитуду усиленного сигнала вычисляют с помощью быстрого Фурье-преобразования усиленного сигнала для вычисления амплитуд частотных полос в диапазоне детектируемого сигнала. Конкретные частотные полосы, представляющие интерес, могут быть выбраны и представлены на дисплее компьютера. Дисплей дает возможность тренировки лица, подвергающегося мониторингу, с помощью аудио- или вербальной обратной связи. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.
| US, 4926969, 1990 | |||
| US, 4928704, 1990 |
