用于背外侧前额叶皮层和/或运动皮层的闭环感测和神经刺激的蒙太奇设计的制作方法

相关申请的交叉引用

这是于2016年3月10日在美国提交的题为“systemandmethodfortrainingandassessment”的美国申请no.15/066,813的延续部分申请，其全部内容通过引用并入本文。

这也是于2015年5月8日提交的题为“montagedesignforclosedloopsensingandneurostimulationofthedorsallateralprefrontalcortexand/ormotorcortex”的美国临时专利申请no.62/159,151的非临时申请，其全部内容通过引用并入本文。

本发明涉及一种用于调节神经刺激的系统，更具体地，涉及一种用于基于大脑状态的实时感测来调节神经刺激的系统。

背景技术：

神经刺激是使用电极对部分神经系统的治疗激活。目前的技术使用脑电图(eeg)/经颅直流刺激(tdcs)或功能性近红外光谱(fnirs)/tdcs的组合来靶向各种区域。目前最先进的蒙太奇(montage)仅提供时间(eeg)或空间(fnirs)信息，并且不提供关于大脑当前状态的所有可能信息，导致针对神经刺激的可能的未对准和设置。

目前，新的刺激的大脑成像和规划(planning)在刺激完成后发生，诸如datta等人在“validationoffiniteelementmodeloftranscranialelectricalstimulationusingscalppotentials:implicationsforclinicaldose”(jneuralengineering2013；10(3))中所描述的，其通过引用并入本文，如同本文完全阐述一样。虽然可以在刺激后对成像进行操作，但是现有的方法不允许同时进行刺激和记录或成像。因此，持续需要一种用于基于对大脑的同时记录来调节神经刺激的系统。

技术实现要素：

本发明涉及一种用于调节神经刺激的系统，更具体地，涉及一种用于基于大脑状态的实时感测来调节神经刺激的系统。该系统包括一个或多个处理器和存储器，该存储器具有指令，使得当执行所述指令时，一个或多个处理器执行多个操作。该系统通过神经装置刺激特定的神经区域，同时使用神经装置的刺激电极和不同类型的记录电极的靶向布置同时执行来自神经装置的记录。基于来自神经装置的记录，实时调节特定神经区域的刺激。

在另一方面，该系统设置刺激参数以优化由记录电极记录的任何神经变化以匹配期望的神经活动。

在另一方面，该系统分别经由脑电图(eeg)电极和功能性近红外光谱(fnirs)电极提供时间上的神经变化和区域特定神经变化的反馈。

在另一方面，提供神经装置上的刺激电极的优选位置，其将集中刺激对特定神经区域的效果，同时仍然允许特定神经区域的集中记录。

在另一方面，刺激被施加到特定脑区域，其中要施加的刺激通过基于先前记录确定的刺激参数来确定。

在另一方面，调节刺激以减小一个大脑区域中的刺激并增大另一个大脑区域中的刺激。

在另一方面，本发明包括一种用于自动调节神经刺激的方法。针对个性化刺激创建刺激电极和不同类型的记录电极的靶向布置。通过神经装置刺激特定的神经区域，同时使用刺激电极和不同类型的记录电极的靶向布置同时执行来自神经装置的记录。基于来自神经装置的记录，实时调节特定神经区域的刺激。

在另一方面，所述神经装置是神经帽(neuralcap)。

在另一方面，本发明还包括一种用于使处理器执行本文所描述的操作的方法。

最后，在另一方面，本发明还包括计算机程序产品，其包括存储在非暂时性计算机可读介质上的计算机可读指令，该计算机可读指令可由具有用于使处理器执行本文所述操作的处理器的计算机执行。

附图说明

从以下结合附图对本发明的各个方面的详细描述，本发明的目的、特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是描绘根据本公开的实施方式的用于调节神经刺激的系统的组件的框图；

图2是根据本公开的实施方式的计算机程序产品的图示；

图3是根据本公开的实施方式的功能性近红外光谱(fnirs)、脑电图(eeg)和经颅直流刺激(tdcs)电极的示例性布置的图示；

图4a是根据本公开的实施方式的控制条件的图示；

图4b是根据本公开的实施方式的刺激条件的图示；

图4c是根据本公开的实施方式的小波变换数据的地形图(topographicmap)的图示；

图5是根据本公开的各种实施方式的用于调节神经刺激参数的闭环系统的图示；

图6示出了根据本公开的一些实施方式的经由神经装置接受神经刺激的人类受试者；以及

图7示出了根据本公开的实施方式的用于感测和神经刺激的由人类受试者佩戴的神经帽。

具体实施方式

本发明涉及一种用于调节神经刺激的系统，更具体地，涉及一种用于基于大脑状态的实时感测来调节神经刺激的系统。提出以下描述以使得本领域普通技术人员能够进行和使用本发明并将其并入特定应用的上下文中。在不同应用中的各种修改以及各种用途对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文定义的一般原理可以应用于广泛的方面。因此，本发明不旨在限于所提出的方面，而是符合与本文公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便更全面地理解本发明。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以实施本发明而不必限于这些具体细节。在其它情况下，为了避免模糊本发明，以框图形式而不是详细地示出公知的结构和装置。

读者的注意力被引导到与本说明书同时提交并且与本说明书一起公开进行审查的所有论文和文件，并且所有这样的论文和文件的内容通过引用并入本文。除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征可由起相同作用、等效或相似目的的另选特征来替代。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征都仅是一类等同或类似特征的一个示例。

此外，权利要求中未明确说明用于执行指定功能的“装置”或用于执行特定功能的“步骤”的任何元素不被解释为如在35u.s.c第112节第6段中指定的“装置”或“步骤”条款。特别是，本文权利要求中“…的步骤”或“…的动作”的使用不旨在援引35u.s.c第112节第6段中的规定。

请注意，如果使用的话，标签左、右、前、后、顶、底、向前、向后、顺时针和逆时针都仅出于方便的目的，并不意味着任何特定的固定方向。相反，它们用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。因此，随着本发明的改变，上述标签可能改变其方向。

(1)主要方面

本发明的各种实施方式包括三个“主要”方面。第一个是用于调节神经刺激的系统。系统通常以操作软件的计算机系统的形式或者以“硬编码”指令集的形式。该系统可以并入提供不同功能的多种装置。第二主要方面是通常以使用数据处理系统(计算机)操作的软件的形式的方法。第三个主要方面是计算机程序产品。计算机程序产品通常表示存储在非暂时性计算机可读介质(诸如光存储装置(例如，光盘(cd)或数字通用光盘(dvd))或磁存储装置(诸如软盘或磁带))上的计算机可读指令。计算机可读介质的其它非限制性示例包括硬盘、只读存储器(rom)和闪存型存储器。下面将更详细地描述这些方面。

在图1中提供了描绘本发明的系统(即，计算机系统100)的示例的框图。计算机系统100被配置为执行与程序或算法相关联的计算、处理、操作和/或功能。在一个方面，本文讨论的某些过程和步骤被实现为一系列指令(例如，软件程序)，所述一系列指令驻留在计算机可读存储器单元内，并且由计算机系统100的一个或更多个处理器来执行。当执行时，指令使得计算机系统100执行特定的动作并展示特定的行为，诸如本文所描述的。

计算机系统100可以包括被配置为传送信息的地址/数据总线102。另外，一个或更多个数据处理单元(诸如处理器104)与地址/数据总线102联接。处理器104被配置为处理信息和指令。在一方面，处理器104是微处理器。另选地，处理器104可以是不同类型的处理器，诸如并行处理器、专用集成电路(asic)、可编程逻辑阵列(pla)、复杂可编程逻辑器件(cpld)或现场可编程门阵列(fpga)。

计算机系统100被配置为利用一个或更多个数据存储单元。计算机系统100可以包括与地址/数据总线102联接的易失性存储器单元106(例如，随机存取存储器(“ram”)、静态ram、动态ram等)，其中，易失性存储器单元106被配置为存储用于处理器104的信息和指令。计算机系统100还可以包括与地址/数据总线102联接的非易失性存储器单元108(例如，只读存储器(“rom”)、可编程rom(“prom”)、可擦除可编程rom(“eprom”)、电可擦除可编程rom(“eeprom”)、闪存等)，其中，非易失性存储器单元108被配置为存储用于处理器104的静态信息和指令。另选地，计算机系统100可以执行从诸如“云”计算中的在线数据存储单元检索的指令。在一方面，计算机系统100还可以包括与地址/数据总线102联接的一个或更多个接口(诸如接口110)。一个或更多个接口被配置为使得计算机系统100能够与其它电子装置和计算机系统接口连接。由一个或更多个接口实现的通信接口可以包括有线通信技术(例如，串行电缆、调制解调器、网络适配器等)和/或无线通信技术(例如，无线调制解调器、无线网络适配器等)。

在一个方面，计算机系统100可以包括与地址/数据总线102联接的输入装置112，其中，输入装置112被配置为将信息和命令选择传送至处理器100。根据一个方面，输入装置112是可以包括字母数字和/或功能键的字母数字输入装置(诸如键盘)。另选地，输入装置112可以是除字母数字输入装置之外的输入装置。在一方面，计算机系统100可以包括与地址/数据总线102联接的光标控制装置114，其中，光标控制装置114被配置为将用户输入信息和/或命令选择传送至处理器100。在一方面，光标控制装置114使用诸如鼠标、轨迹球、轨迹板、光学追踪装置或触摸屏的装置来实现。尽管有上述情况，但在一方面，光标控制装置114经由来自输入装置112的输入(诸如响应于与输入装置112相关联的特定键和键序列命令的使用)来引导和/或激活。在另选方面，光标控制装置114被配置为由语音命令来引导或指导。

在一方面，计算机系统100还可以包括与地址/数据总线102联接的一个或更多个可选的计算机可用数据存储装置(诸如存储装置116)。存储装置116被配置为存储信息和/或计算机可执行指令。在一个方面，存储装置116是诸如磁盘或光盘驱动器(例如，硬盘驱动器(“hdd”)、软盘、光盘只读存储器(“cd-rom”)、数字通用光盘(“dvd”))的存储装置。根据一个方面，显示装置118与地址/数据总线102联接，其中，显示装置118被配置为显示视频和/或模体。在一方面，显示装置118可以包括阴极射线管(“crt”)、液晶显示器(“lcd”)、场发射显示器(“fed”)、等离子体显示器或适于显示用户可识别的视频和/或图形图像以及字母数字字符的任何其它显示装置。

本文所提出的计算机系统100是根据一个方面的示例计算环境。然而，计算机系统100的非限制性示例并不严格限于是计算机系统。例如，一个方面提供了计算机系统100表示可以根据本文描述的各个方面使用的一种数据处理分析。此外，还可以实现其它计算系统。事实上，本技术的精神和范围不限于任何单个数据处理环境。因此，在一方面，使用由计算机执行的计算机可执行指令(诸如程序模块)来控制或实现本技术的各个方面的一个或更多个操作。在一个实现中，这样的程序模块包括被配置为执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件和/或数据结构。另外，一个方面提供了本技术的一个或更多个方面是通过利用一个或更多个分布式计算环境(诸如，其中任务由通过通信网络链接的远程处理装置来执行的环境或诸如各种程序模块位于包括存储器-存储装置的本地和远程计算机存储介质中的环境)来实现的。

图2中描绘了实施本发明的计算机程序产品(即，存储装置)的例示图。计算机程序产品被描绘为软盘200或光盘202(诸如cd或dvd)。然而，如前所述，计算机程序产品通常表示存储在任何兼容的非暂时性计算机可读介质上的计算机可读指令。如关于本发明使用的术语“指令”通常指示要在计算机上执行的一组操作，并且可以表示整个程序的片段或独立(可分离的)软件模块。“指令”的非限制性示例包括计算机程序代码(源码或目标码)和“硬编码”电子器件(即，被编码到计算机芯片中的计算机操作)。“指令”存储在任何非暂时性计算机可读介质上(诸如在计算机的存储器中或在软盘、cd-rom和闪存驱动器上)。无论在哪一种情况下，指令都被编码在非暂时性计算机可读介质上。

(2)各种实施方式的具体细节

描述了一种方法，该方法用于对大脑的特定区域(例如，运动皮层和/或背外侧前额叶皮层(dorsallateralprefrontalcortex：dlpfc))中的神经元使用非侵入性经颅直流刺激(tdcs)，同时经由来自整个大脑的脑电图(eeg)和来自大脑的特定区域(例如，运动皮层和dlpfc)的功能性近红外光谱(fnirs)同时记录神经活动。用于刺激和记录的每个电极的具体放置允许在对期望区域(基于平均成年男性的头部)的刺激中的新的聚焦性(focality)，同时也允许来自记录电极的完全覆盖。实时监测例如dlpfc和运动皮层的大脑活动的能力允许一种闭环系统，该闭环系统将改变刺激设置以匹配所期望的dlpfc和运动皮层神经活动。

根据本公开的实施方式的系统提供了一种独特方法，该方法从特定大脑区域刺激和记录，使得不同的模式在保持感兴趣的区域的完全覆盖的同时引起彼此之间的最小干扰。虽然电极模式(例如，eeg、fnirs、tdcs)中的每一个已被单独地用于靶向运动皮层和dlpfc，但是根据本公开的各种实施方式的系统同时使用所有三种模式。

通过使用这种电极的“蒙太奇”，实现了用于实时监测神经刺激对运动皮层和/或dlpfc的影响的前所未有的覆盖水平。这将提高精确设置刺激水平来优化任何神经变化以匹配所期望的活动的能力。通过使用eeg和fnirs，本发明将提供时间上的大脑变化(经由eeg)和区域特定变化(经由fnirs)二者的反馈。

在刺激期间实时监测大脑状态的能力将允许基于由神经刺激引起的激活模式的变化对刺激设置进行调节。目前，新的刺激的大脑成像和规划在刺激完成后发生。通过对被刺激的区域进行局部大脑成像，本文所描述的系统具有监测和调节刺激设置以达到期望的神经活动变化的独特能力。

图3描绘了刺激电极、fnirs电极和eeg电极在受试者的头部上的放置。电极由小圆圈表示。e表示eeg电极，s表示源电极，d表示检测器电极。刺激部位用粗体虚线圆圈表示。连接电极的粗线表示感兴趣的数据通道。本发明通过将刺激电极(由粗体虚线圆圈表示)放置在将要集中刺激对所期望的大脑区域(例如，运动皮层和/或dlpfc)的效果的位置，同时仍然允许通过功能性近红外光谱(fnirs)电极(即带有“s”或“d”的电极)对所述区域的非常集中的空间记录而起作用。

此外，eeg电极不会受到干扰，并提供整个头部上的详细覆盖，从而允许接收到的最大信息。然后可以对该信息进行分析并将其用于基于从刺激产生的准确记录来重置刺激参数。图4a、图4b和图4c示出了图3中所描绘的蒙太奇的结果，提供了eeg和fnirs记录在利用该蒙太奇的刺激的过程中发生的变化的能力的证明。假手术刺激(图4a)(即，控制条件)指示将刺激的感知传达给受试者但不将电流传送给大脑的刺激方案。图4b描绘了如图所示将电流传送到dlpfc的实际刺激条件。没有诸如图3所示的蒙太奇，这些变化将无法被分析和理解。

具体地，图4a和图4b描绘了与tdcs同时进行的fnirs的记录，示出了由tdcs引起的位置活动的差异。图4c描绘了与tdcs同时进行的eeg的记录，示出了由tdcs引起的时间活动的差异。图4c示出了小波变换数据的地形图。较小的箭头指向中线前额θ光谱功率跨天的显著变化，其对应于技能获取。较大箭头描绘了4天的训练制度中受试者的进展情况。

闭环刺激调节是本发明所特有的。图5示出了用于闭合刺激调节的结构，该闭合刺激调节经由行为感测500和多模式感测502来测量行为输出(例如，驾驶(piloting)改善)，以将刺激(hd-tdcs神经刺激504)调节成适合于用户的专业知识的当前水平以及手头的训练任务506的模式。行为感测通过例如用于从模拟中读取类似飞行记录器的数据的定制软件来执行，该数据然后用于在课程条件之间比较受试者内的行为表现。行为感测对于被训练的技能是特定的。例如，感测可以基于飞行员技能的定量指标，诸如着陆时的g力。多模式感测502由例如fnirs和eeg508执行，其记录用户的大脑510中的神经活动。结合操作员表现系统512，来自多模式感测502的测量被用于自动调节用户的大脑510的区域的hd-tdcs神经刺激504的刺激参数，以便达到期望的认知状态以改善用户的训练任务506的表现。

例如，根据各种实施方式的系统可以用于辅助将完全的新手引入到其中他们必须驾驶飞机通过高湍气流的任务。使用本发明，用户将在诸如运动皮层的特定区域中接收计算出的刺激(hd-tdcs神经刺激504)。该刺激(hd-tdcs神经刺激504)是基于来自专家飞行员和其他新手飞行员的记录以及他们的fnirs和eeg测量和行为与当前新手飞行员之间的比较计算出的。确定各种新手飞行员的典型变化以优化学习和刺激参数至关重要。另外，个体行为表现可用于个性化刺激蒙太奇以获得最佳学习。然而，随着当前新手飞行员的表现改善，该模式调节刺激以减少运动皮层中的刺激，但增加飞行员大脑的进行决策方面的刺激，并且靶向dlpfc。执行这种调节作为一种演进系统，该演进系统基于当前记录的专家飞行员和新手飞行员的改善来调节刺激。目标是将新手514飞行员的表现提高到高级516飞行员的水平。

图6示出了根据本公开的一些实施方式的接收神经刺激的人类受试者600。能够产生电流的神经装置602通过经由一个电极604(例如，阳极)施加电流来传递神经刺激，并且该电流流过大脑到达另一个电极606(例如，阴极)。神经装置602被描绘为粘附到患者头部的一部分的贴片。可以使用任何合适的神经装置602(诸如下面描述的神经帽)，只要它能够使用神经装置602的刺激电极和记录电极的靶向布置在执行来自神经装置602的记录的同时控制特定神经区域的刺激。

图7示出了根据本公开的实施方式的用于感测和神经刺激的由人类受试者佩戴的神经装置。如图7中所描绘的，神经装置是神经帽700。如图所示，神经盖700可以具有用于刺激器和传感器的可配置的线束位置。此外，传感器/刺激器可以包含弹簧加载系统702以维持皮肤接触。神经帽700的紧身佩戴(compressionfitting)实现了传感器/刺激器的稳定性。此外，神经盖700可以连接到便携数据输入/输出(i/o)包704。

最后，虽然已经根据几个实施方式描述了本发明，但是本领域普通技术人员将容易地认识到本发明可以在其它环境中具有其他应用。应注意，许多实施方式和实现是可能的。此外，所附权利要求绝不旨在将本发明的范围限于上述特定实施方式。另外，“用于…的装置”的任何叙述旨在引出元素和权利要求的装置加功能解读，而未特别使用“用于…装置”的叙述的任何元素不旨在被解读为装置加功能元素，即使权利要求另外包括词语“装置”。此外，虽然已经以特定顺序描述了特定方法步骤，但方法步骤可以以任何期望的顺序进行，并且落在本发明的范围内。