Результат интеллектуальной деятельности: Способ транскраниальной магнитной стимуляции

Изобретение относится к области медицины, когнитивных технологий и смежных областей и предназначено для использования в терапии болезней нервной системы и заболеваний головного мозга, в технологиях активизации творческих способностей и восстановления утраченных функций сенсоров пациентов.

Известны способы транскраниальной магнитной стимуляции (см. US № 9352167 и US № 20100113959), включающие проведение транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), при котором осуществляется пространственное суммирование магнитных потоков за счет множества электромагнитов, расположенных в пространстве вокруг головы реципиента на определенном шаге друг от друга и с числом обмоток на катушке от одного до двух.

Известен также способ транскраниальной магнитной стимуляции (см. US № 8052591), включающий проведение транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), в заданных местах головного или спинного мозга множеством электромагнитов, расположенных в заданной конфигурации.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ транскраниальной магнитной стимуляции, включающий воздействие магнитным полем, формируемым катушками индукторов (см. US № 20050228209). Он включает перемещение одной и более катушек относительно зоны стимуляции, причем магнитные поля катушек воздействуют на зону стимуляции из нескольких точек, при этом, суммарная энергия магнитного поля, попадающая в зону стимуляции, больше, чем энергия магнитного поля в областях вблизи нее на том же расстоянии от катушки.

Общим недостатком перечисленных известных способов является, наличие значительных по уровню электромагнитных помех из-за необходимости применения множества перемещающихся по кругу электромагнитов, воздействующих на мозг реципиента, что приводит к низкой технологичности, эффективности и точности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности и технологичности.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, заключается в снижении уровня электромагнитных помех, что также повышает эффективность воздействия на мозг за счет увеличения доли магнитного потока, проходящего именно через зону стимуляции мозга. Кроме того, обеспечиваются необходимые условия, при которых вектор индукции магнитного поля проходит через зону стимуляции мозга независимо от пространственного размещения плоскости траектории катушек индукторов вокруг горизонтальной оси, что повышает эффективность и технологичность стимуляции.

Для решения поставленной задачи способ транскраниальной магнитной стимуляции, включающий воздействие магнитным полем, формируемым катушками индукторов, отличается тем, что жестко фиксируют в пространстве голову реципиента, при этом используют две катушки индукторов магнитного поля, которые соединяют по магнитному потоку гибким магнитопроводом и перемещают вокруг головы реципиента по дуге окружности в произвольном направлении с равной их угловой скоростью, и с возможностью поворота плоскости траектории катушек индукторов вокруг горизонтальной оси, проходящей через зону стимуляции мозга и нормальной к вертикальной оси, проходящей через центр окружности, при этом центр вращения траектории перемещения катушек, проходит через зону стимуляции мозга.

Кроме того, при перемещении катушек индукторов вокруг головы реципиента устанавливают наличие запрещенных зон мозга, через которые движение вектора индукции магнитного поля опасно или запрещено, при этом при приближении вектора индукции магнитного поля к этим зонам минимизируют значения индукции магнитного поля.

Кроме того, контролируют значения энергии магнитного поля, воздействующих на зону стимуляции и запрещенные зоны мозга реципиента, для чего измеряют напряженность магнитного поля, действующих в указанных зонах и фиксируют длительность этого воздействия, при этом устанавливают допустимые значения этого воздействия на безопасном уровне.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.

Признаки, указывающие, что «жестко фиксируют в пространстве голову реципиента» снижают влияние динамических процессов, вызванных ударными выбросами крови из сердца и мышечными напряжениями грудной клетки в различных фазах дыхания

Признаки, указывающие, что «используют две катушки индукторов магнитного поля, которые соединяют по магнитному потоку гибким магнитопроводом», обеспечивают снижение электромагнитных помех за счет движения магнитного потока, формируемого катушками индукторов вокруг головы реципиента, по гибкому магнитопроводу, а также повышают эффективность воздействия на мозг за счет увеличения магнитного потока, проходящего через зону стимуляции мозга.

Признаки, указывающие, что «катушки индукторов перемещают вокруг головы реципиента по дуге окружности», обеспечивают возможность подачи магнитного потока через зону стимуляции мозга с произвольных точек вокруг головы реципиента.

Признаки, указывающие, что катушки индукторов перемещают вокруг головы реципиента «в произвольном направлении с равной их угловой скоростью» обеспечивают необходимые и достаточные условия, при которых вектор индукции магнитного поля проходит через зону стимуляции мозга при перемещении катушек индукторов вокруг головы реципиента.

Признаки, указывающие, что катушки индукторов перемещают вокруг головы реципиента по дуге окружности «с возможностью поворота плоскости траектории катушек индукторов вокруг горизонтальной оси, проходящего через зону стимуляции мозга и нормальной к вертикальной оси, проходящего через центр окружности, при этом центр вращения траектории перемещения катушек, проходит через зону стимуляции мозга», упрощают процедуру обеспечения необходимых и достаточных условий, при которых вектор индукции магнитного поля проходит через зону стимуляции мозга, при повороте плоскости траектории катушек индукторов вокруг горизонтальной оси, что также повышает эффективность и технологичность стимуляции.

Признаки первого дополнительного пункта формулы изобретения позволяют, при необходимости, ввести опасные и запрещенные зоны в мозге при проведении глубокой транскраниальной магнитной стимуляции, а также, поясняют принцип управления значениями индукции магнитного поля при движении вектора магнитной индукции вблизи опасных и запрещенных зон в мозге.

Признаки второго дополнительного пункта формулы изобретения позволяют обеспечить контроль и условия дозированного безопасного воздействия магнитным полем на зону стимуляции и запрещенные зоны мозга реципиента.

На фиг. 1 схематически показаны перемещение катушек индукторов и вектора индукции магнитного поля в рабочем пространстве устройства (здесь, рабочее пространство устройства, это пространство, ограниченное областью перемещения вектора индукции магнитного поля, сформированного катушками индукторов, и заданное в цилиндрической или сферической системе координат, в которое помещается голова реципиента); на фиг. 2 - схема устройства; на фиг. 3 - разрез устройства в горизонтальной плоскости по оси вращения поворотных платформ (вид сверху) для случая, когда ось вращения колец лежит в горизонтальной плоскости, нормально к оси вращения поворотных платформ; на фиг. 4 показан разрез гибкого магнитопровода.

На фиг. 1: N и S - северный и южный полюсы катушек индукторов магнитного поля; ГМ - гибкий магнитопровод; D1 и D2 - дуги окружности; O – центр окружности и начало координат в цилиндрической или сферической системе координат; В - вектор магнитной индукции магнитного поля между катушками индукторов; ZC, ZZ и ZD – соответственно, зона стимуляции, запрещенные и опасные зоны мозга; α - угол поворота катушек индукторов; ZC, ZZ и ZD, соответственно, зона стимуляции, запрещенные и опасные зоны; X – X, ось вращения поворотных платформ; Y – Y, вертикальная ось, проходящая через центр окружности O (на чертежах не показано) ; На фиг. 2 и 3:1 - неподвижная плита; 2 – двигатель; 3 – рама; 4 и 5 - винты; 6 и 7 - двигатели; 8, 9, 10 и 11 - направляющие; 12 и 13 - платформы; 14 и 15 - двигатели; 16 и 17 – поворотные платформы; 18 и 19 - кольца; 20 и 21 – двигатели вращения колец; 22 и 23 – концевые выключатели; 24 и 25 – стопорные ограничители; 26 и 27 – концевые выключатели; 28 и 29 - стопорные ограничители; 30 и 31 - катушки индукторов магнитного поля; 32 - гибкий магнитопровод; 33 - оптический датчик положения устройства; 34 и 35 - концевые выключатели; На фиг. 3: 36 и 37 – крепления катушек; На фиг. 4: 38 - концентратор магнитного поля; 39 - защитный наконечник концентратора магнитного поля; 40 - наночастицы магнитной жидкости; 41 - внутренняя оболочка гибкого магнитопровода; 42 - внешняя оболочка гибкого магнитопровода.

На чертежах показаны: (см. фиг. 1) N и S северный и южный полюсы катушек индукторов магнитного поля, связанные гибким магнитопроводом (ГМ), и перемещающиеся по дуге окружности, соответственно D1 и D2, с центром вращения, относительно точки O и вектора магнитной индукции B вокруг головы реципиента с центром вращения, проходящего через зону стимуляции ZC мозга в произвольном направлении с равной их угловой скоростью; α – угол поворота катушек индукторов по дуге окружности D1 и D2, предельно допустимый по условиям технологичности и безопасности; ZZ и ZD, соответственно, запрещенные и опасные зоны, прохождение вектора индукции магнитного поля в которых, запрещено или опасно; X – X, ось вращения поворотных платформ, проходящая через оси вращения, соответственно, двигателей 14 и 15, причем зона стимуляции ZC мозга лежит на оси X – X; Y – Y, вертикальная ось, проходящая через центр окружности O и ось вращения двигателя 2 (на чертежах не показаны). На фиг. 1 ось Y – Y проходит вертикально к плоскости чертежа. Посредством осей Х – Х и Y – Y задаются, соответственно, зенитный θ и азимутальный β углы зон ZC, ZZ и ZD, а также расстояние r от начала координат до указанных зон в сферической системе координат в рабочем пространстве устройства. В случае, когда зона стимуляции ZC мозга лежит на оси X – X, зенитный θ угол для зоны стимуляции ZC равен нулю, расстояние r равно расстоянию от зоны стимуляции ZC до центра окружности O; на неподвижной плите 1 (см. фиг.2) жестко закреплен двигатель 2, с возможностью вращения рамы 3 вокруг вертикальной оси Y – Y; винты 4 и 5 установлены на раме 3 с возможностью их вращения, соответственно, двигателями 6 и 7 для перемещения по направляющим 8, 9, 10 и 11 платформ 12 и 13 вдоль вертикальной оси рабочего пространства устройства; двигатели 14 и 15 закреплены, соответственно, на платформах 12 и 13, с возможностью поворота плоскости траектории катушек индукторов 30 и 31 вокруг поворотной оси Х – Х, проходящей через зону стимуляции мозга ZC и нормальной к вертикальной оси Y - Y, проходящей через центр окружности O; кольца 18 и 19 размещены на поворотных платформах 16 и 17 с возможностью их вращения, соответственно, двигателями 20 и 21 вокруг вертикальной оси Y – Y внутри рабочего пространства устройства в произвольном направлении с равной их угловой скоростью; концевые выключатели 22 и 23 используют для выключения двигателя 20 на границах допустимого углового перемещения кольца 18; стопорные ограничители 24 и 25 используют для ограничения углового перемещения кольца 18 двигателем 20; концевые выключатели 26 и 27 используют для выключения двигателя 21 на границах допустимого углового перемещения кольца 19; стопорные ограничители 28 и 29 используют для ограничения углового перемещения кольца 19 двигателем 21; 30 и 31 – катушки индукторов магнитного поля, закреплены, соответственно, на кольцах 18 и 19, причем, (см. фиг. 3 и 4) защитный наконечник 39 концентратора 38 магнитного поля лежит в плоскости, проходящей посередине между плоскостями, образованными кольцами 18 и 19 (в дальнейшем, поворотная плоскость); 32 – гибкий магнитопровод, концы которых присоединены к катушкам индукторов магнитного поля 30 и 31, которые посредством креплений 36 и 37 закреплены к кольцам, соответственно, 31 и 30 и подвешены к раме 3; оптический датчик 33 показывает угловое положение устройства при его вращении вокруг вертикальной оси Y - Y; концевые выключатели 34 и 35, соответственно, двигателей 6 и 7, определяют нижнюю границу вертикального перемещения платформ 12 и 13; концентратор магнитного поля 38 (см. фиг. 4), обеспечивает максимальное значение напряженности магнитного поля на его конце; защитный наконечник 39 концентратора магнитного поля защищает концентратор 38 магнитного поля от механических повреждений и обеспечивает безопасность реципиента при случайном с ним контакте; наночастицы магнитной жидкости 40 обеспечивают минимальное сопротивление магнитному потоку в гибком магнитопроводе 32; внутренняя 41 и внешняя 42 оболочки гибкого магнитопровода 32, обеспечивают его, соответственно, герметичность и механическую прочность.

В базовой конструкции все платформы 3, 12 и 13, 16 и 17, направляющие 8, 9, 10, 11, кольца 18 и 19 выполнены из диэлектрического материала, например, из полиуретана, винты 6 и 7 из прочного износостойкого материала с низкой магнитной проницаемостью. Катушки индукторов 30 и 31 выполнены сменными в зависимости от целей стимуляции и типа магнитного поля, воздействующего на мозг реципиента, и могут быть выполнены, либо из тонкого провода с большим числом витков на катушке, либо из толстого провода с небольшим числом витков.

Концентратор магнитного поля 38 выполняет также функции сердечника катушки индукторов магнитного поля и выполнен из магнитомягкого материала, например, пермаллоя. В качестве наночастиц магнитной жидкости 40 могут быть использованы наноразмерные частицы магнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллоя или метгласса. Внутренняя 41 и наружная 42 оболочки гибкого магнитопровода выполнены, соответственно, из герметичного гибкого и прочного гибкого диэлектрических материалов. В качестве оболочки гибкого магнитопровода возможно использование шлангов высокого давления при условии отсутствия в них, в качестве укрепляющего материала, металлической сетки.

Стандартный способ проведения транскраниальной магнитной стимуляции включает: 1) проведение магниторезонансной томографии реципиента в режиме Т1 MPR; 2) построение 3D индивидуальной модели головного мозга пациента (NBS eXimia Nexstim); 3) соотнесение анатомических образований с ориентирами на магниторезонансной томограмме (МРТ); 4) привязку координат 3D индивидуальной модели головного мозга реципиента внутри устройства транскраниальной магнитной стимуляции; 5) проведение стимуляции зон мозга по заданным координатам 3D модели головного мозга реципиента внутри устройства транскраниальной магнитной стимуляции (см. http://cyberleninka.ru/article/n/novyy-shag-k-personifitsirovannoy-meditsine-navigatsionnaya-sistema-transkranialnoy-magnitnoy-stimulyatsii-nbs-eximia-nexstim, или Червяков А.В., Пирадов М.А., Савицкая Н.Г., Черникова Л.А., Кремнева Е.И. Новый шаг к персонифицированной медицине. Навигационная система транскраниальной магнитной стимуляции (NBS EXIMIA NEXSTIM), ж-л, «Анналы клинической и экспериментальной неврологии», т.6, № 3, с. 39). В заявленном способе исходят из того, что первые четыре пункта стандартного способа решены известным образом и осуществлена привязка координат 3D индивидуальной модели головного мозга реципиента внутри устройства транскраниальной магнитной стимуляции и подлежит реализации только пятый пункт – т.е. проведение стимуляции зон мозга по заданным координатам 3D модели головного мозга реципиента внутри устройства транскраниальной магнитной стимуляции.

Для транскраниальной магнитной стимуляции, включающей воздействие магнитным полем, (см. фиг. 1) используют две катушки индукторов магнитного поля, связанные гибким магнитопроводом (ГМ), и перемещающиеся по дуге окружности, соответственно D1 и D2, с центром вращения, относительно точки O, и вектора магнитной индукции B вокруг головы реципиента с центром вращения, проходящего через зону стимуляции мозга ZC в произвольном направлении с равной их угловой скоростью на угол α, а также, задают необходимый уровень напряженности магнитного поля Н и значение суммарной энергии W в зоне стимуляции ZC и их допустимые значения в запрещенных ZZ и опасных ZD зонах, по которым, в последующем, определяются, соответственно, токи в катушках индукторов и продолжительность транскраниальной магнитной стимуляции.

Для этого задают координаты зон ZC, ZZ и ZD, например, в сферической системе в рабочем пространстве устройства посредством указания зенитного θ и азимутального β углов зон, а также, расстояния r от начала координат до указанных зон и осуществляют привязку координат 3D индивидуальной модели головного мозга реципиента внутри устройства транкраниальной магнитной стимуляции. В данном случае, когда зона стимуляции ZC мозга лежит на оси X – X, зенитный θ угол для зоны стимуляции ZC равен нулю, расстояние r равно расстоянию от зоны стимуляции ZC до центра окружности O, что повышает эффективность и технологичность стимуляции.

На реципиенте, при построении 3D индивидуальной модели головного мозга реципиента (NBS eXimia Nexstim) и соотнесении анатомических образований с ориентирами на магнитнорезонансной томограмме (МРТ), размещаются реперные точки путем их установки, например, на капе, зажатой зубами, по которым 3D индивидуальная модель головного мозга реципиента представляется в сферической или иной системе координат. Далее, для привязки координат 3D индивидуальной модели головного мозга реципиента внутри устройства транскраниальной магнитной стимуляции используются те же реперные точки, которые использовались при построении 3D индивидуальной модели головного мозга реципиента. Для этого, капа посредством телескопических рычагов закрепляется на неподвижной части устройства, например, в основании направляющих 8, 9, 10 или 11, с возможностью реципиенту зажать капу зубами таким же образом, как и при построении 3D индивидуальной модели головного мозга реципиента с использованием МРТ (на чертежах не показаны). При этом важно, чтобы голова реципиента была зафиксирована неподвижно. Для снижения влияния динамических процессов, вызванных ударными выбросами крови из сердца и мышечными напряжениями грудной клетки в различных фазах дыхания, реципиента усаживают на жесткий стул с прямой спинкой и закрепленными на ней регулируемыми опорами (на чертежах не показаны) для костей черепа: сосцевидных отростков и скуловой кости, в спокойном расслабленном состоянии, затем подводят снизу под сосцевидные отростки и скуловые кости регулируемые опоры и фиксируют их в верхней фазе грудного вдоха, в интервале от нормального до глубокого, обеспечивающего достаточно комфортные условия для реципиента во время проведения транскраниальной стимуляции. По реперным точкам на капе, жестко связанным с неподвижной частью устройства, осуществляют привязку координат 3D индивидуальной модели головного мозга реципиента внутри устройства транскраниальной магнитной стимуляции путем преобразования сферической системы координат анатомических образований МРТ мозга, построенных с использованием трех точек в капе, в сферическую или иную систему координат внутри рабочего пространства устройства.

Далее, двигателем 2 по данным оптического датчика 33 устанавливают азимутальный β угол зоны стимуляции, равным нулю, двигателями 6 и 7 (см. фиг. 2 и 3) посредством винтов 4 и 5, перемещают вниз платформы 12 и 13 из верхнего горизонтального положения вдоль вертикальной оси Y – Y по направляющим 8, 9, 10 и 11, а вместе с ними и поворотные платформы 16 и 17 до совмещения оси поворотной платформы Х – Х с зоной стимуляции ZC. При этом, расстояние между центром окружности O и зоной стимуляции ZC должно быть равно проекции радиус-вектора r на поворотную ось Х – Х. В этом случае, зона стимуляции ZC оказывается лежащей на поворотной оси Х – Х. Далее, двигателями 20 и 21 посредством вращения колец 18 и 19, осуществляется перемещение катушек индукторов магнитного поля 30 и 31, формирующих вектор индукции магнитного поля В, на допустимый угол α, с центром вращения вектора магнитной индукции B между катушками индукторов, проходящего через зону стимуляции ZC. Перемещение катушек индукторов магнитного поля 30 и 31 производится в произвольном направлении с равной их угловой скоростью, что обеспечивает условия, при которых вектор индукции магнитного поля проходит через зону стимуляции ZC мозга при перемещении катушек индукторов вокруг головы реципиента.

Для повышения эффективности и технологичности стимуляции осуществляют повороты плоскости траектории катушек индукторов вокруг горизонтальной оси Х – Х, проходящего через зону стимуляции мозга ZC и нормальной к вертикальной оси Y - Y, проходящего через центр окружности O, во время перемещения катушек индукторов магнитного поля 30 и 31 по дуге окружности в произвольном направлении с равной их угловой скоростью, при этом центр вращения траектории перемещения катушек проходит через зону стимуляции мозга. Для этого (см. фиг. 2 и 3), двигателями 14 и 15, закрепленными, соответственно, на платформах 12 и 13, осуществляют поворот плоскости траектории катушек индукторов 30 и 31 вокруг поворотной оси Х – Х, проходящей через зону стимуляции мозга ZC и нормальной к вертикальной оси Y - Y, проходящей через центр окружности O. При этом, центр вращения траектории перемещения катушек индукторов 30 и 31 оказывается проходящим через зону стимуляции мозга ZC независимо от пространственного размещения плоскости траектории катушек индукторов вокруг поворотной оси X - X, что повышает эффективность и технологичность стимуляции и упрощает обеспечение условий, при которых вектор индукции магнитного поля проходит через зону стимуляции мозга, при повороте плоскости траектории катушек индукторов вокруг горизонтальной оси.

В предлагаемом способе устанавливают также наличие запрещенных ZZ и опасных ZD зон мозга, через которые движение вектора индукции магнитного поля В опасно для реципиента, или запрещено, при этом при приближении вектора индукции магнитного поля и плоскости траектории катушек индукторов к этим зонам минимизируют значения индукции магнитного поля В. Для этого ось поворотной платформы Х – Х располагают относительно зоны стимуляции ZC так, чтобы поворотная плоскость не пересекала запрещенные ZZ и опасные ZD зоны. В случае, если поворотная плоскость все же пересекает запрещенные ZZ и опасные ZD зоны, или проходит рядом, то при приближении вектора индукции магнитного поля В и плоскости траектории катушек индукторов к этим зонам минимизируют значения индукции магнитного поля, снижая или отключая токи в катушках индукторов магнитного поля 30 и 31. Для контроля значения энергии магнитного поля, воздействующих на зону стимуляции ZC и запрещенные зоны ZZ мозга реципиента, предварительно перед проведением стимуляции измеряют, известными методами, напряженность магнитного поля, действующих в указанных зонах при различных значениях тока в катушках индукторов магнитного поля, по данным которых определяют либо необходимое время воздействия на мозг реципиента, либо значения энергии магнитного поля, воздействующих на зону стимуляции ZC. Допустимые значения энергии магнитного поля, воздействующих на зону стимуляции ZC, устанавливают на безопасном уровне, задавая длительность воздействия при известных значениях напряженностей магнитного поля, предварительно измеренных перед проведением стимуляции.

По окончании заданного времени воздействия магнитным полем на зону стимуляции мозга выключают ток в катушках индукторов 30 и 31, устанавливают двигателями 14 и 15 кольца 18 и 19 в горизонтальное положение, и, далее, двигателями 6 и 7 поднимают платформы 12 и 13 в верхнее положение, затем отпускают регулируемые опоры для сосцевидных отростков и скуловой кости, после которого реципиент может выйти из рабочего пространства устройства.

Предложенный способ транскраниальной магнитной стимуляции позволяет обеспечить высокую технологичность, эффективность и точность дозированной, безопасной стимуляции глубоких структур мозга, а также, значительно снизить уровень электромагнитных помех. Способ может быть использован в терапии болезней нервной системы и заболеваний головного мозга, в технологиях активизации творческих способностей, ускорения и повышения когнитивных ресурсов для молодых и пожилых людей, восстановления утраченных функций и сенсоров пациентов.