用于使用前庭神经刺激进行睡眠疗法的设备的制作方法

用于使用前庭神经刺激进行睡眠疗法的设备
背景发明技术
1.本文提供的系统、方法和设备涉及前庭刺激，并且更具体地涉及刺激前庭核以促进睡眠。相关技术
2.随着睡眠不足与健康状况不佳之间的联系日益增加，睡眠正成为人类健康中越来越突出的话题。虽然诸如失眠或睡眠呼吸暂停等一些睡眠障碍是众所周知的，并且有多种公认的治疗方法，但关于身体通常如何调节睡眠或影响身体睡眠能力的外部和内部因素，仍有很多是未知的。随着睡眠与整体健康之间联系的增加，人们越来越关注了解身体特别是大脑如何调节睡眠。
3.脑干内有许多区域控制身体的无意识功能，诸如血压、心率、肾功能、体脂和睡眠。与许多大脑功能一样，睡眠是受不同生理和神经因素的影响的复杂过程。大脑中被认为影响睡眠的关键区域包括下丘脑、视交叉上核(scn)和膝状体间小叶(igl)。这些被认为充当生理节律时钟来告诉身体什么时候该睡觉、什么时候该醒来。因此，通过这些关键的大脑解剖特征来调节生理节律的尝试可以带来促进睡眠的方法。
4.前庭系统可以是调节生理节律和影响睡眠的一种途径。前庭系统是我们的平衡感和空间定位的主要贡献者，并且在每个内耳中由三个半规管(检测旋转动作)和两个耳石器官(称为椭圆囊和球囊，其检测线性加速度和重力)组成(khan和chang，2013)。它们被称为耳石器官，因为其是充满流体的囊，含有大量自由移动的碳酸钙晶体——称为耳石——这些碳酸钙晶体在重力或线性加速度的影响下移动，作用于受体细胞以改变前庭传入神经活性。
5.经由生理节律系统调节睡眠的一种途径可以是通过前庭系统，这是因为已经发现生理节律系统接收来自前庭核的输入。前庭核(特别是前庭内侧核或“mve”)位于脑桥和髓质中，并经由前庭神经从前庭系统接收输入。mve被认为突出(直接地和间接地经由顶-脑岛前庭皮质(pivc))到臂旁核(pb)和导水管周围灰质(pag)的脑干稳态部位(参见mcgeoch的博士论文第1章和第3章第8节，2010)。pb似乎通过对这个前庭输入与交感神经输入(经由薄层1脊髓-和三叉神经-丘脑束纤维)以及副交感神经输入(经由孤束核)进行整合来起维持稳态的作用——即稳定的内部生理环境(balaban和yates，2004；craig，2007；craig，2009；mcgeoch等人，2008，2009；mcgeoch，2010)。
6.人们认为，pb然后借助于行为、神经内分泌和自主神经系统传出(即，交感和副交感)反应来起维持稳态的作用(balaban和yates，2004；mcgeoch，2010)。在解剖学上，pb突出到脑岛和前扣带、杏仁核和下丘脑。脑岛和前扣带是大脑皮层中牵涉情绪影响和动机以及因此牵涉行为的区域(craig，2009)。下丘脑在协调神经内分泌系统方面起着至关重要的作用(balaban和yates，2004；fuller等人，2004；craig，2007)。类似地，已知杏仁核(同样与下丘脑和脑岛一起)在自主神经系统控制中很重要。pb还输出到pag和基底前脑，该pag和基底前脑也参与稳态(balaban和yates，2004)。
7.前庭神经刺激(“vens”)使用电流同时激活前庭装置的所有五个部件(fitzpatrick和day，2004；st.george和fitzpatrick，2011)，并提供了家庭用、无需专家监督的商业化生产的实用选项。vens涉及通过经由两个电极经皮施加小电流(通常在0.1毫安(ma)到3毫安之间)来刺激前庭系统。电极可以施加在头部周围的各种位置，但是典型地一个电极施加在每个乳突上的皮肤，即每个耳朵后面的皮肤。一些作者把这称为“双耳施加”。如果使用阴极和阳极，其中在每个乳突上放置一个(这是最常见的迭代)，那么这被称为vens的双极双耳施加。电流可以以多种方式递送，包括恒定状态、以方波、正弦(交流)模式和作为脉冲序列(petersen等人，1994；carter和ray，2007；fitzpatrick和day，2004；st.george和fitzpatrick，2011)。
8.在使用前庭刺激来影响睡眠方面所做出的努力是有限的。在授予lattner等人的美国专利号6,314,324中描述了一项努力，其依赖于通过有节奏地刺激半规管、球囊、椭圆囊和/或壶腹来对抗眩晕的已知前庭治疗方案。这种刺激产生一种人工摇晃感，其模仿身体前后摇晃的感觉的，就像婴儿在摇篮里一样。然而，这种疗法被设计为在人躺在床上时执行以便摇晃感会轻轻地诱导睡眠，并且被设计为在睡眠期间佩戴以在用户的睡眠模式被打乱时提供额外的刺激。
9.因此，需要进一步开发用于更有效和高效地提供前庭刺激以促进睡眠的方法和设备。


技术实现要素：

10.本文描述的实施例提供了用于利用前庭刺激通过影响负责调节生理节律的大脑的关键区域以激发促进睡眠和减少觉醒的区域来促进睡眠的系统、设备和方法。可以使用自定义的信号形状以及持续时间在上床睡觉前递送一段时间的刺激，该刺激通过头戴式便携式电子设备递送到前庭神经，该头戴式便携式电子设备不要求用户在床上，因为它避免了产生可能影响用户平衡的摇晃感。这种刺激本质上是告诉大脑该睡觉了，它提供了一种有效的无需用户佩戴设备睡觉或躺在床上就能生效的方法来促进睡眠。
11.在一个实施例中，一种通过递送前庭神经刺激(vens)来促进人类受试者睡眠的方法，包括：将至少一个电极定位成与该人类受试者电接触并靠近该受试者前庭系统的位置；以及从与该至少一个电极连接的电流源向该人类受试者递送vens，其中，该vens在该受试者期望的睡眠时间之前递送。
12.在另一实施例中，一种使用前庭神经刺激治疗失眠的方法，包括：将至少一个电极定位成与该人类受试者电接触并靠近该受试者前庭系统的位置；以及从与该至少一个电极连接的电流源向该人类受试者递送vens，其中，该vens在该受试者期望的睡眠时间之前递送。
13.在又一实施例中，一种用于促进人类受试者睡眠的设备，该设备包括：电极，被布置成在对应于该受试者的前庭系统的位置处与该受试者的头皮电接触；以及与这些电极电连通的电流源，用于向该受试者递送前庭神经刺激(vens)，其中，该电流源在该受试者期望的睡眠时间的约1至约数小时内递送vens持续约30分钟至约60分钟。
14.本领域的普通技术人员通过查看以下具体实施方式和附图将更明了本发明的其他特征和优点。
附图说明
15.本发明的结构和操作将通过查看以下具体实施方式和附图来理解，并且其中相同的附图标记指代相同的部件，并且在附图中：
16.图1是展示左内耳的前庭系统的图；
17.图2是展示了连接前庭与生理节奏计时系统(cts)的解剖特征的模型；
18.图3是根据本发明的实施例的展示了用于利用vens来影响睡眠的示例方法的流程图；
19.图4是展示了根据本发明的一个实施例的用于递送vens的示例性波形的图；
20.图5a是根据本发明的一个实施例的在使用vens设备之前的受试者的睡眠数据的图形展示；
21.图5b是根据本发明的一个实施例的在使用vens设备之后的受试者的睡眠数据的图形展示；
22.图6a是根据本发明的一个实施例的在使用vens设备之前的受试者的睡眠阶段的图形展示；
23.图6b是根据本发明的一个实施例的在使用vens设备之后的受试者的睡眠阶段的图形展示；
24.图7是展示了根据本发明的一个实施例的一组受试者在履行vens疗法一段时间之前和之后的平均失眠严重程度指数(isi)评分的曲线图；
25.图8是显示了根据本发明的一个实施例的该组受试者在履行vens疗法一段时间之前和之后的isi类别分布的图表；
26.图9是显示了根据本发明的一个实施例的治疗前后该组受试者随时间的平均平静主观评分的曲线图；
27.图10是根据本发明的一个实施例的用于前庭神经刺激(vens)设备的示例性刺激器电路的示意图；
28.图11是根据本发明的一个实施例的具有增益控制部件的刺激器电路的替代性实施例的示意图；
29.图12是根据本发明的一个实施例的刺激器设备的第二替代性实施例的示意图；
30.图13a和图13b展示了根据本发明的一个实施例的由设备生成的示例性波形；
31.图14是示出了根据本发明的一个实施例的示例性vens电极放置位置的图；
32.图15是展示了可以与本文中所描述的各个实施例结合使用的具备处理器得示例有线或无线设备的框图。
具体实施方式
33.本文披露的某些实施例提供了对于前庭系统的刺激，以激发生理节律系统的神经系统组成部分并诱导睡眠。例如，本文披露的一种方法使得将一个或多个电极放置在受试者头皮上的设备向前庭神经递送前庭神经刺激(vens)，然后将其携带到脑干的前庭核中，之后传输到生理节律系统的神经系统组成部分以激发促进睡眠的区域，从而使身体进入睡眠状态。刺激信号的特性和治疗的持续时间被配置为允许在受试者期望的睡眠时间之前递送治疗，从而不需要在床上佩戴该设备。
34.在阅读本说明书后，本领域技术人员将明白如何在各种替代性实施例和替代性应用中实施本发明。然而，虽然本文将描述本发明的各个实施例，但是应当理解，这些实施例仅通过举例而非限制的方式呈现。因此，各种替代性实施例的详细描述不应被解释为限制如所附权利要求中阐述的本发明的范围或广度。
35.睡眠疗法的途径
36.图1展示了左内耳的前庭系统。还示出了耳蜗68，其是听觉外围器官。其显示出：前半规管62、后半规管67和水平半规管63，它们转换旋转动作；以及耳石器官(椭圆囊66和球囊65)，它们转换线性加速度和重力。前庭蜗神经64(也称为第八脑神经)由耳蜗神经(其携带来自耳蜗的信号)和前庭神经(其携带来自前庭系统的信号)组成。
37.图2是概述了连接前庭与生理节奏计时系统(cts)的潜在解剖特征的模型。光是cts的主要同步剂，经由视网膜下丘脑束(rht)传输到视交叉上核(scn)。非光刺激，诸如自主活动(转轮(running wheel))，经由膝状体间小叶(igl)和膝下丘脑束(ght)传输到scn。还有证据支持血清素能中脑缝(分别为背侧和内侧，drn和mrn)参与将活动信息传输到scn和igl。形态学数据还表明，前庭核(vn)可能会影响缝核，尤其是drn。mgr是黄斑重力受体，t是生理节奏周期，并且tb为体温。
38.前庭刺激通过使用前庭核作为中继，将前庭系统的刺激从前庭核传输到scn、igl和下丘脑，从而间接激活与睡眠相关的大脑关键区域。这些神经系统组成部分充当生理节律系统，并且影响人体睡眠，因此vens的应用本质上是重新调节生理节律，并且激发促进睡眠的区域(同时减少觉醒)，从而让身体在正确的时间进入睡眠状态。
39.治疗方法
40.图3展示了利用vens影响人类受试者的睡眠的方法的一个实施例。在步骤302中，将一个或多个电极定位在受试者头皮上靠近前庭系统的位置。电极可以放置在头皮的一侧或两侧、靠近可以实现前庭神经刺激的大致位置。在步骤304中，根据与治疗或受试者相关的一个或多个因素，诸如信号形状、脉冲、频率、治疗持续时间、相对于治疗时间的期望的睡眠时间等，在vens设备上配置vens治疗的参数。一旦选择了参数，就可以在步骤306中在受试者期望的睡眠时间之前发起治疗疗程。在步骤308中，在期望的治疗持续时间结束时，在受试者的睡眠时间之前终止治疗。
41.虽然不是主要方法的一部分，但可以例如经由远程或可穿戴传感器来监测受试者对治疗的反应、受试者自己对其睡眠质量和持续时间的观察以及可以在多个治疗疗程后在更长的时间内进行测量的其他生理和心理因素以确定治疗的有效性。受试者对治疗的反应可用于调整总体治疗计划、vens的参数或可能影响受试者睡眠的其他观察到的因素。
42.治疗方法可包括以在效重新调节生理节律的频率范围递送前庭刺激。在图4所示的一个实施例中，vens治疗的参数包括使用具有约0.25hz的频率和约0.01ma到1ma的电流范围以约50％的占空比进行递送的方波。电极可以双侧放置，用于向用户头部的两侧递送刺激。治疗疗程的长度可以是约30分钟到约60分钟，并且受试者可以在预期的睡眠发起之前约3小时内发起治疗。
43.在另一实施例中，治疗方法可包括以不同参数递送前庭刺激，这些参数可能对不同类型的受试者有效或具有与治疗时间和睡眠周期的预期开始相关的不同结果。例如，从约0.0001hz到约10000hz的频率范围，在约0.01ma到约5ma的范围内，可以用于任何类型的
波形和占空比，从方波到正弦波到脉冲。可以仅通过放置在用户头部一侧、可以进行前庭神经刺激的大致位置的一个电极递送治疗。用户可以在上床睡觉之前的任何时间发起治疗并且发起从约1分钟到约120分钟的任何持续时间的治疗疗程。
44.还应注意的是，通过这种方式递送刺激，以在不产生摇晃感的情况下，通过以约0.25hz和至少低于约0.5hz的频率递送刺激，从而促进生理节律部分内的睡眠。这些频率有时被称为“亚感觉vens”，速度很慢，并且提供足够低的功率以避免产生摇晃感，从而使受试者在上床睡觉之前接收到vens，然后在上床睡觉之前终止治疗疗程。相比之下，约25hz的频率也被证明是有效的，并且相比之下对于受试者来说检测到频率过高。该设备可以在上床睡觉之后取下，消除了在尝试入睡时需要在床上佩戴的其他设备经常导致的任何潜在不适。
45.验证
46.以商标vestibulator
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(加拿大安大略的良好振动工程有限公司(good vibrations engineering ltd))出售的可比较的商业上可用的vens设备此前已在其他机构处用于多项研究。(barnett-cowan和harris，2009；trainor等人，2009)。这个设备利用8节aa电池起作用，使得电压永远不会超过12v。根据制造商的规格，这个设备可以递送的最大电流为2.5ma。与vestibulator
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相比，本发明使用更加用户友好的设备(例如，可以使用外壳的侧部上的控制器(旋钮、滑动件或类似设备)来调节递送的电流)，在该vestibulator
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中，类似的调节只能通过首先写入脚本、并且然后经由将其远程上传，以便重新编程vestibulator
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的设置来进行)。
47.由于在vens期间使用非常小的电流，这项技术被认为是安全的(fitzpatrick和day，2004；hanson，2009)。特别地，尽管电流可能导致心律失常，包括心室纤颤，但发生这种情况的阈值在75ma至400ma范围内，远高于电池供电的vens设备可以递送的电流水平。此外，电极将仅施加到头皮，诸如图14所示，而不靠近胸部上方的皮肤。
48.电阻加热可能由于对皮肤的高压电刺激而发生。然而，在vens期间递送的电压和电流(通常低于1ma)远低于引起这种风险的水平。然而，由于ph的变化，可能发生皮肤疼痛。这可以通过使用大表面积(直径约为2英寸)的铂电极和芦荟导电凝胶来缓解。
49.可能期望的是监测受试者的心率(hr)，以确定vens治疗期间的心脏频率。然后，可以使用心脏频率来改变正弦vens的频率，以便在心脏频率与正弦vens的频率之间维持一定的比率，从而避免干扰压力感受器活性。例如，正弦vens频率与心脏频率之比为0.5将是合适的。
50.在vens施予期间，如图14所示，一个铂电极附接在一个乳突上方的皮肤上，并且另一电极附接在另一乳突上方的皮肤上。电极可以涂覆有含有芦荟的导电凝胶。该设备被激活以递送约0.1ma(给定大约500kohm的乳突间电阻)的、具有约0.25hz的正弦波形的电流。该设备的典型电流范围将为约0.001ma至约5ma。受试者在整个疗程中应保持坐着或平躺，以避免前庭刺激期间由于平衡改变而造成的不测。该设备被设置为在一小时后自动停止，然而，如果期望的话，受试者可以更早地停止治疗。受试者应保持坐着，直到他们的平衡恢复正常，这应在vens设备已被关闭后的短时间段内发生。
51.在一个实施例中，neurovalens有限公司提供的vens设备被用来递送刺激。这个设备递送如图4所展示的vens电流波形，该波形由0.25hz的、占空比为50％的ac方波组成。接
下来的方案是，在最初的30分钟内，每个受试者单独地经历间接量热法，以确立基线。然后，每个受试者经历一小时的双耳双极vens疗程，其中，电极被放置在每个乳突上方的皮肤上，如图14所示。如上所述，在所有受试者中以0.6ma的电流递送0.25hz的、占空比为50％的ac方波，尽管所使用的设备能够递送更大的电流。
52.图5a是展示了在睡眠期间的睡眠阶段的频率和持续时间的在使用vens设备之前的受试者的睡眠数据的图形展示。图10b是展示了在睡眠期间的睡眠阶段的频率和持续时间的在使用vens设备之后的受试者的睡眠数据的图形展示。这些图形展示表明了在使用vens设备之后rem、轻度和深度睡眠阶段的数量和持续时间增加，而清醒阶段的数量和持续时间减少。
53.类似地，图6a是在使用vens设备之前的受试者的睡眠阶段的图形展示，而图6b是在使用vens设备之后的受试者的睡眠阶段的图形展示。此外，在使用该设备之后rem、轻度和深度睡眠阶段的数量和持续时间增加，而清醒睡眠阶段的数量和持续时间显著减少。
54.在另一项研究中，对一组参与者进行了为期28天的测量——14天的治疗前测量，用于建立基线失眠严重程度指数(isi)评分，以及14天的治疗期间测量，用于确定治疗对受试者的平均isi的可能影响。本研究的主要目的是评估在开始入睡前递送时vens对isi评分的影响。次要目的是提供指示将允许更合适的rct设计的“生效时间长度”的初始数据。在这项研究中，使用上述来自neurovalens有限公司的vens设备在开始入睡前约1小时提供约30分钟的vens。
55.图7是展示了一组受试者在履行vens疗法一段时间之前和之后的平均失眠严重程度指数(isi)评分的曲线图。平均基线isi计算为15.7(sd 4.7)(中度失眠)。14天的vens疗程之后，重复isi评分计算为8.15(sd 3.6)(亚临床失眠)。该结果具有统计学意义(p《.00001)。
56.图8是显示了该组受试者在履行vens疗法一段时间之前和之后的isi类别分布的图表，展示了在测量时间段内具有临床意义的失眠水平的潜在变化量。
57.图9是显示了治疗前后该组受试者随时间的平均平静主观评分的曲线图。次日
‘
平静’感觉的自评分数(范围0-4)计算为1.6(sd 0.63)并作为基线，在第1周期间增加到2.01(sd 0.79)并在第2周期间增加到2.67(sd 0.56)。
58.该初步研究支持这样的假设：在开始入睡前定期递送时vens会对isi评分产生积极影响。尽管是主观测量，但在两周的vens期间内，
‘
次日平静’的感觉似乎得到了显著改善。结果表明，即使在开始入睡前递送时vens也可能对睡眠产生积极影响。因此，vens的作用机制比非特特定的摇晃运动更复杂，并且可能次于前庭系统对生理节奏起搏点和脑干中其他睡眠调节核的直接影响。
59.鉴于低风险和非侵入性的特性，vens有可能作为非药物疗法来管理轻度至中度失眠。
60.前庭刺激设备
61.图10和图11展示了可以被用来执行本发明的方法的vens电路系统的一个可能实施例。设备20包括时变伽伐尼电流源，其可以使用微控制器由软件编程。在一个实施例中，前庭刺激可以经由头戴式便携式电子设备提供，该电子设备舒适地定位在用户头部的区域中，在该区域中可以将刺激递送到用户前庭神经的一侧或两侧。
62.图10展示了刺激设备20的实施例的基本部件，其包括基于运算放大器(“运放”)的恒流源。电压通过电极4和6施加在头皮10上，并由运算放大器12进行测量。在示例性实施例中，运算放大器12可以是通用运算放大器，其示例是lm741系列运算放大器，其在商业上广泛可用。选择合适的运算放大器将在本领域的技术水平之内。如果从头皮10返回到运算放大器12的引脚2(反相输入端)的电压不同于引脚3(非反相输入端)处的参考电压+9v，则运算放大器通过引脚7从+18v输入端汲取，以增加引脚6处的电压输出量，从而增加头皮10上的电流，以维持恒定的电流水平。负载电阻器16为250欧姆。电位计14的调节通过降低在引脚2处到运算放大器12的电压输入来提供增益控制，从而控制流经头皮的电流量。在优选的实施例中，由一个或多个电池(未示出)提供+9v和+18v输入，或者可以使用具有适当安全设置的传统dc转换器。
63.图11中的示意图将控制部件添加到图1的基本刺激器电路20中。由attiny13微控制器24(加利福尼亚州圣何塞市阿特梅尔公司(atmel corporation))或类似设备的脉宽调制(pwm)输出(mosi(主输出/从输入，引脚5)供电的晶体管22可以用于控制刺激器的增益。pwm使晶体管将或多或少的进入运算放大器12(引脚2)的电压拉至接地，从而调制流经头皮的电流量。
64.在优选的实施例中，设备部件和任何外部接口将被封装在外壳30(如图14所示)内，该外壳具有适当的用户控件32，用于适当地选择刺激参数。注意，仅出于说明的目的示出了旋钮，并且可以使用其他类型的控件，包括开关、按钮、压力凸块、滑动件、触摸屏或其他接口设备。可以被添加以扩展设备的功能的可选设计部件包括存储器存储设备，诸如存储卡或电可擦除可编程只读存储器(eeprom)，其将允许记录刺激的时间、持续时间和强度。这可以通过对微控制器24编程以经由设备外壳上的适当端口将逻辑电平3.4v脉冲(ttl(晶体管-晶体管逻辑))从剩余的数字输出(miso(主输入/从输出，引脚6)输出到安全数字(sd)存储卡、eeprom、usb闪存驱动器或其他数据存储设备来实现。另外地，+18v输入可以通过集成电荷泵或dc-dc升压转换器(诸如例如max629或max1683(未示出))来获得。这一设计特征具有这样的益处，即，通过从更小的电池(可以是一次性的或锂离子可充电的)产生必要的+18v输入，减小了设备的尺寸。另外的特征可以包括如本领域已知的无线通信电路，用于编程和/或从远程计算设备进行数据收集，该远程计算设备可以包括个人计算机、智能手机或平板电脑。
65.用于在本发明中实施vens的其他功能可以包括以精确的间隔和持续时间、以具有可调幅度和周期的正弦波以及甚至精确间隔处的切换极性来脉冲施加电流的能力。
66.用于促进和/或增强vens的施予的附加选项可以包括内置的生物反馈能力，以基于监测受试者活动和/或生物特性(诸如运动、位置、心率等)的传感器生成的信号来调节刺激参数以获得最佳效应。例如，由心率传感器或监测仪测量的实时心脏可以用作到vens设备的输入，触发正弦vens频率自动调节为合适的、可能预编程的心脏频率分数。由加速度计测量的用户运动或位置的实时数据也可以用作控制刺激的输入，以提高效用和安全性。例如，如果检测到用户位置的过度运动或变化，则可以终止治疗，或者可以警告用户关于可能具有不利影响的、位置的变化。心率传感器/监测仪和/或加速度计可以是通过有线或无线连接与本发明的vens设备进行通信的单独设备。替代性地，传感器可以直接结合到vens设备中，以形成可穿戴的“感测和治疗”系统。随着新的传感器被开发并被适配用于“智能”可
穿戴移动健康设备的移动计算技术，“感测和治疗”vens设备可以基于输入到设备中的大量传感器数据来提供密切定制的刺激。
67.图12示意性地展示了本发明设备40的示例性原型，该设备使用商业上广泛可用的uno单板微控制器42(马萨诸塞州剑桥的arduino，llc公司)实施，该单板微控制器基于atmega328微控制器(加利福尼亚州圣何塞市阿特梅尔公司(corporation))。微控制器42包括十四个数字输入/输出引脚(其中六个可以用作脉宽调制(pwm)输出)、六个模拟输入、16mhz陶瓷谐振器、usb连接、电源插座、icsp插头和复位按钮。电路的+14.8vdc电源由电池49提供。例如，使用四个锂离子电池(每个提供3.7v(1300mah))，并且这些锂离子电池优选地可经由充电端口51充电。
68.pwm允许精确地控制输出波形。在这种情况下，波形采用正偏转的重复半正弦波模式，如图13a所示。频率已经被预定义为0.25hz，但是可以通过手动控制或者响应于来自诸如心率传感器(参见例如图14)的传感器的输入而被设置为不同的值。用户可以通过调节电位计48手动控制幅度，允许向电极提供0至14.8v的范围。这种调节可以通过旋转旋钮、移动滑动件(物理地或经由触摸屏)或任何其他已知的用户控件机构来实现。替代性地，可以响应于来自传感器的输入信号自动地调节电位计设置。继电器44将电压调节传送至图形显示器45，以提供对所选电压和/或电流的读出。
69.继电器46可以用于每隔一秒脉冲有效地反转电流的极性。这个效应在图13b中示出，其中正弦模式改变极性，从而生成完整的正弦波形，以对左乳突电极50l和右乳突电极50r产生持续时间为大约1秒的交替刺激时段。
70.该设备可以可选地包括三色led 52，该三色led提供设备状况的视觉显示(即诊断指导)，诸如设备正在正常工作或者电池需要充电的指示。
71.可选设计部件可以包括触摸屏配置，该触摸屏配置结合电位计控制、电压和电流的数字显示以及其他操作参数和/或使用历史。例如，可以显示剩余电池电量、先前的刺激统计数据和电阻的变化。另外的特征可以包括对波形的变化进行控制，诸如频率的变化和波类型(例如方波、脉冲或随机噪声)的变化。微处理器平台(或任何类似平台)理想地适合基于外部信号源结合对频率、强度或其他刺激参数的反馈控制或手动控制。例如，微处理器平台(如果设置有能力的话)可以由或其他智能手机、膝上型计算机或个人计算机、平板电脑或移动设备无线控制，使得移动设备的触摸屏可以用于控制和/或显示vens刺激参数，而不需要设备上的专用屏幕。移动设备还可以被配置用于存储和分析来自先前刺激的数据，提供关于长时段(诸如超过6个月)刺激的趋势和统计数据。这个的应用可以允许程序在用户的进度和目标上对用户进行监测和指导，突出显示身体测量值和相对于刺激时段的体重变化。
72.用于促进睡眠的图12的实施例的示例性操作顺序可以包括以下步骤：
73.当按钮电源开关41被激活时，(多个)电池49通过5伏调节器和1安培保险丝(在图中示出，但没有分开地标记)向微处理器42供应5伏dc。
74.led 52将闪烁绿色三次，以指示电源“接通”。如果蓝光闪烁，则电池需要充电。在电压被供应给电极50l和50r的同时，led 52将以规则的间隔(例如30秒到1分钟)闪烁红色。
75.微处理器42生成0.75vdc半波符号波。放大器将电压放大到14.8伏。正弦波在1秒钟内完成半个周期(即正弦波的频率为0.25hz)。电位计48可以将电压从0伏变化到14.8伏。
76.半周期完成后，继电器46切换电极50l、50r的极性，并且微处理器42发送另一半周期。继电器46再次切换极性，并且只要该单元“接通”就继续。这向电极发送高达+14.8vdc的全正弦波，其中全电压摆幅由电位计48调制。
77.数字显示器45提供被递送到电极50l、50r的电压和电流的视觉指示。根据显示器的大小和复杂性，电压和电流值可以同时显示或交替显示持续较短的持续时间，例如3秒。
78.其他设备选项可以包括用户控件，以允许以精确的间隔和持续时间脉冲施加电流，从而以可调节的幅度和周期生成正弦波和/或以精确的间隔切换极性。也可以包括经由智能手机或如上所述的其他移动设备的外部控制和监测。可以包括用于通过外部或内部传感器进行接口连接和反馈控制的进一步输入和处理能力。
79.图14展示了示例性vens电极34，该电极被定位在待治疗受试者的左耳36的耳廓后面的皮肤上，并且在其左乳突上方。乳突由虚线38表示。右电极(未示出)将以相同的方式放置在右乳突上方的皮肤上和右耳廓后面。应当注意的是，所展示的电极放置位置仅作为示例提供。事实上，电极施加的侧向性(例如，电极精确地处于两个乳突上方)并不被认为是关键的，只要每个电极都足够靠近前庭系统以施加期望的刺激。电极34通过引线33连接到刺激设备40(外壳30内部)。手动控制装置(在此被展示为简单的旋钮32)可以被操作以控制电流或其他参数。如上所述，替代性控制装置包括滑动件、触摸屏、按钮或其他常规控制设备。外部控制信号(例如来自心率监测仪35的信号)可以如图所示无线地或者通过在传感器与设备之间延伸的引线被输入到设备中。可以使用电极(诸如市场上可以广泛买到的用于经皮电神经刺激(tens)的2
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2英寸铂电极)以便最小化任何可能的皮肤疼痛。导电凝胶37可以涂覆在受试者的头皮与电极的接触表面之间，以增强导电并降低皮肤疼痛的风险。
80.受试者实际接收的电流量取决于头皮电阻(i
头皮
＝v
电极
/r
头皮
)，该电阻可能随着使用者出汗、在电极位置改变的情况下或者在与皮肤的接触部分损失的情况下变化。似乎文献中引用的电流水平只能在头皮电阻比其实际值低得多的情况下才能递送。结合本发明方法和设备的开发进行的测量表明，乳突间电阻典型地在200千欧姆到500千欧姆之间。因此，如果vens设备实际上被用来传输1ma，则根据欧姆定律，电压将在200v到500v之间。通常用于施予vens的电池供电设备根本不能生成这样的输出。因此，就目前在vens中递送的实际电流而言，现有报告似乎不准确。
81.现有技术设计缺乏对每个受试者的独特头皮电阻的考虑，并且因此可能无法向每个患者递送有效电流。在本发明中，可以通过考虑受试者之间头皮电阻的可变性以及补偿整个过程中可能出现的头皮电阻波动来克服这一限制。为了补偿在施予电流期间头皮电阻的微小和波动性变化，本发明的vens设备可以包括内部反馈回路，该回路连续地将期望电流与头皮上实际测量的电流进行比较，并自动补偿任何差异。如果r
头皮
增加，则v
电极
增加以进行补偿。相反，当r
头皮
下降时，电压降低。这种动态反馈补偿回路在过程的持续时间内在头皮上提供恒定的电流，而不管电极-头皮阻抗的波动性变化如何。
82.计算机实现的实施例
83.图15是展示了可以与本文中所描述的各个实施例结合使用的示例有线或无线系统550的框图。例如，系统550可以用作前庭神经刺激设备或与其结合使用，如先前关于图1至图6所描述的。系统550可以是传统的个人计算机、计算机服务器、个人数字助理、智能手机、平板电脑或能够进行有线或无线数据通信的任何其他具备处理器的设备。如本领域技
术人员清楚的，也可以使用其他计算机系统和/或架构。
84.系统550优选地包括一个或多个处理器，如处理器560。还可以提供另外的处理器，诸如用于管理输入/输出的辅助处理器、用于执行浮点数学运算的辅助处理器、具有适合于快速执行信号处理算法的架构的专用微处理器(例如，数字信号处理器)、从属于主处理系统的从处理器(例如，后端处理器)、双或多处理器系统的另外的微处理器或控制器或协处理器。这种辅助处理器可以是分立处理器或者可以与处理器560集成。
85.优选地，处理器560连接到通信总线555。通信总线555可以包括用于促进系统550的存储设备与其他外围部件之间的信息传递的数据通道。通信总线555进一步可以提供用于与处理器560通信的一组信号，包括数据总线、地址总线和控制总线(未示出)。通信总线555可以包括任何标准或非标准总线架构，诸如例如符合工业标准架构(“isa”)、扩展工业标准架构(“eisa”)、微通道架构(“mca”)、外围部件互连(“pci”)本地总线、或由电气与电子工程师协会(“ieee”)发布的标准(包括ieee 488通用接口总线(“gpib”)、ieee 696/s-100等)的总线架构。
86.系统550优选地包括主存储器565并且还可以包括辅助存储器570。主存储器565为在处理器560上执行的程序提供指令和数据的存储。典型地，主存储器565是诸如动态随机存取存储器(“dram”)和/或静态随机存取存储器(“sram”)等基于半导体的存储器。其他基于半导体的存储器类型包括例如同步动态随机存取存储器(“sdram”)、rambus动态随机存储器(“rdram”)、铁电随机存取存储器(“fram”)等，包括只读存储器(“rom”)。
87.辅助存储器570可以可选地包括内部存储器575和/或可移动介质580，例如软盘驱动器、磁带驱动器、光盘(“cd”)驱动器、数字通用光盘(“dvd”)驱动器等可移动介质580以已知方式读取和/或写入。可移动存储介质580可以是例如软盘、磁带、cd、dvd、sd卡等。
88.可移动存储介质580是其上存储有计算机可执行代码(即，软件)和/或数据的非暂态计算机可读介质。存储在可移动存储介质580上的计算机软件或数据被读取到系统550中以由处理器560来执行。
89.在替代性实施例中，辅助存储器570可以包括用于允许计算机程序或其他数据或指令加载到系统550中的其他类似装置。这种装置可以包括例如外部存储介质595和接口570。外部存储介质595的示例可以包括外部硬盘驱动器或外部光学驱动器或和外部磁-光盘驱动器。
90.辅助存储器570的其他示例可以包括基于半导体的存储器，比如可编程只读存储器(“prom”)、可擦除可编程只读存储器(“eprom”)、电可擦除只读存储器(“eeprom”)或闪速存储器(类似于eeprom的面向块的存储器)。还包括任何其他可移动存储介质580和通信接口590，它们允许软件和数据从外部介质595传递到系统550。
91.系统550还可以包括输入/输出(“i/o”)接口585。i/o接口585促进外部设备的输入和输出。例如，i/o接口585可以从键盘或鼠标接收输入并且可以向显示器提供输出。i/o接口585能够促进来自各种替代类型的人机接口和机器接口设备的输入和输出。
92.系统550还可以包括通信接口590。通信接口590允许软件和数据在系统550与外部设备(例如，打印机)、网络或信息源之间传递。例如，计算机软件或可执行代码可以经由通信接口590从网络服务器传递到系统550。通信接口590的示例包括调制解调器、网络接口卡(“nic”)、无线数据卡、通信端口、pcmcia插槽和卡、红外接口和ieee 1394火线，等等。
93.优选地，通信接口590实施比如以太网ieee 802标准、光纤通道、数字用户线(“dsl”)、异步数字用户线(“adsl”)、帧中继、异步传输模式(“atm”)、综合数字业务网(“isdn”)、个人通信业务(“pcs”)、传输控制协议/互联网协议(“tcp/ip”)、串行线路互联网协议/点对点协议(“slip/ppp”)等行业发布的协议标准，但也可以实施自定义的或非标准接口协议。
94.经由通信接口590传递的软件和数据通常采用电通信信号605的形式。这些信号605优选地经由通信通道600提供给通信接口590。在一个实施例中，通信通道600可以是有线或无线网络或任何种类的其他通信链路。通信通道600携带信号605并且可以使用各种有线或无线通信方式(包括导线或电缆、光纤、传统电话线、蜂窝电话链路、无线数据通信链路、射频(“rf”)链路、或红外链路等)实施。
95.计算机可执行代码(即计算机程序或软件)存储在主存储器565和/或辅助存储器570中。计算机程序还可以经由通信接口590接收并且存储在主存储器565和/或辅助存储器570中。这种计算机程序在被执行时使系统550能够执行如前所述的本发明的各种功能。
96.在本说明书中，术语“计算机可读介质”用于指代用于向系统550提供计算机可执行代码(例如，软件和计算机程序)的任何非暂态计算机可读存储介质。这些介质的示例包括主存储器565、辅助存储器570(包括内部存储器575、可移动介质580和外部存储介质595)以及与通信接口590(包括网络信息服务器或其他网络设备)通信地耦合的任何外围设备。这些非暂态计算机可读介质是用于向系统550提供可执行代码、编程指令、和软件的装置。
97.在使用软件实施的实施例中，该软件可以存储在计算机可读介质上并且通过可移动介质580、i/o接口585或通信接口590加载到系统550中。在这种实施例中，软件采用电通信信号605的形式加载到系统550中。软件当由处理器560执行时优选地使处理器560执行本文前面描述的发明特征和功能。
98.系统550还包括促进通过语音和通过数据网络进行无线通信的可选无线通信部件。无线通信部件包括天线系统610、无线电系统615和基带系统620。在系统550中，射频(“rf”)信号在无线电系统615的管理下由天线系统610通过空气发射和接收。
99.在一个实施例中，天线系统610可以包括一个或多个天线和执行切换功能以为天线系统610提供发射和接收信号路径的一个或多个多路复用器(未示出)。在接收路径中，接收到的rf信号可以从多路复用器耦合到放大接收到的rf信号并向无线电系统615发送经放大信号的低噪声放大器(未示出)。
100.在替代性的实施例中，无线电系统615可以包括被配置为在各种频率下通信的一个或多个无线电设备。在一个实施例中，无线电系统615可以将解调器(未示出)和调制器(未示出)组合在一个集成电路(“ic”)中。解调器和调制器也可以是单独的部件。在传入路径中，解调器除去rf载波信号，从而留下从无线电系统615发送到基带系统620的基带接收音频信号。
101.如果接收到的信号包含音频信息，则基带系统620对信号解码并将该信号转换成模拟信号。然后，将信号放大并发送到扬声器。基带系统620还从麦克风接收模拟音频信号。这些模拟音频信号被转换成数字信号并且由基带系统620进行编码。基带系统620还编码数字信号以进行传输并且生成被路由到无线电系统615的调制器部分的基带传输音频信号。调制器将基带传输音频信号与rf载波信号混合，从而生成路由到天线系统并且可以穿过功
率放大器(未示出)的rf传输信号。功率放大器放大rf传输信号并且将其路由到天线系统610，在该天线系统中信号被切换到天线端口以进行传输。
102.基带系统620还与处理器560通信地耦合。中央处理单元560访问数据存储区域565和570。优选地，中央处理单元560被配置为执行可以存储在存储器565或辅助存储器570中的指令(即，计算机程序或软件)。计算机程序还可以从基带处理器610接收并且存储在数据存储区域565或辅助存储器570中，或在接收到时执行。这种计算机程序在被执行时使系统550能够执行如前所述的本发明的各种功能。例如，数据存储区域565可以包括可由处理器560执行的各种软件模块(未示出)。
103.各种实施例也可以主要以硬件实施，例如使用诸如专用集成电路(“asic”)或现场可编程门阵列(“fpga”)等部件。能够执行本文描述的功能的硬件状态机的实施对于相关领域的技术人员来说也是显而易见的。还可以使用硬件和软件两者的组合来实施各种实施例。
104.此外，本领域技术人员将认识到通常可以将关于上述附图和本文所披露的实施例所描述的各种说明性的逻辑块、模块、电路、和方法步骤实施为电子硬件、计算机软件、或二者的组合。为了清晰地展示硬件和软件的此可互换性，通常就其功能性在上文已经对各说明性部件、块、模块、电路、和步骤进行了描述。将这样的功能性实现为硬件还是软件取决于在整体系统上强加的具体应用和设计约束条件。熟练的技术人员可以对每个特定应用程序以不同方式来实施所描述的功能，但是这种实施方式决策不应被解释为导致脱离本发明的范围。此外，模块、块、电路或步骤内的功能分组是为了便于描述。特定功能或步骤可以在不脱离本发明的情况下从一个模块、块或电路移动到另一个模块、块或电路。
105.此外，可以用通用处理器、数字信号处理器(“dsp”)、asic、fpga或其他可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件、或被设计成用于执行本文所描述的功能的其任何组合实施或执行关于本文所披露的实施例所描述的各种说明性的逻辑块、模块和方法。通用处理器可以是微处理器，但在替代性方案中，该处理器可以是任何处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器也可以实施为计算设备的组合，例如，dsp与微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合dsp核或者任何其他此类配置。
106.另外，可以直接地以硬件、以由处理器执行的软件模块、或两者的组合来体现关于本文所披露的实施例所描述的方法或算法的步骤。软件模块可以驻留在ram存储器、闪速存储器、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom或包括网络存储介质的任何其他形式的存储介质。可以将示例性存储介质耦合到处理器，使得处理器能够从存储介质读取信息以及向存储介质写入信息。在替代性实施例中，存储介质可以与处理器成一整体。处理器和存储介质也可以驻留在asic中。
107.所披露的实施例的上述描述的提供使本领域技术人员能够执行或使用本发明。对这些实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显然的，并且在不背离本发明的精神或范围的情况下，本文描述的一般原理可以被应用到其他实施例。因此，应理解的是，本文中呈现的说明书和附图代表本发明的当前优选实施例并且因此代表本发明广泛涵盖的主题。应进一步理解的是，本发明的范围完全涵盖对本领域技术人员而言显而易见的其他实施例，因此本发明的范围不受限制。