Область техники

Изобретение относится к способу магнитоакустического воздействия на участки биологических тканей, например - структур нервной системы, или тканей других органов животных и человека, а также устройству, его реализующему, без использования вживляемых электродов. Это позволяет добиться неинвазивности воздействия.

Предшествующий уровень техники В медицине известен способ лечебного и исследовательского воздействия на определенные участки нервной системы электрическими импульсами, подводимыми по имплантируемым в организм электродам. Важно отметить, что электростимуляция является наиболее адекватной, поскольку большинство мозговых функций реализуются через генерацию и распространение электрических потенциалов.

Основной недостаток этого способа - травмирование организма пациента.. Кроме того, нейрохирург далеко не всегда точно знает, куда данному пациенту необходимо имплантировать электроды и нужно ли вообще это делать. Понятно, что это чревато неэффективностью операции, что осложняется наличием довольно больших материальных расходов на лечение, вследствие, высокой стоимости имплантируемых электростимуляторов и их электродов.

В нервной системе находится большое количество нейронов и их аксонов, которые с физической точки зрения являются проводниками, и на которые направлено воздействие электрического тока при способе вживляемых электродов.

Нейроны и аксоны можно рассматривать как биологические проводники, в которых циркулируют токи в виде нервных импульсов, определяющих нервную деятельность организма. В способе вживляемых электродов осуществляют электрический контакт такого биологического проводника с электродом, при подаче внешнего напряжения на который в биологических проводниках начинает течь ток от внешнего источника. Этот ток и оказывает нужный эффект либо стимулирования, либо блокирования прохождения нервных импульсов.

Ведущей в мире фирмой по изготовлению имплантируемых стимуляторов является Меdtrопiс (США) (www.mеdtrопiс.соm).

Основными недостатками применения метода имплантируемых стимуляторов являются следующие: - необходимость в хирургическом вмешательстве, соответственно травматичность, и как следствие риск осложнений;

- наличие анатомо-функциональной вариабельности в структурах мозга человека иногда требует нескольких диагностических погружений электродов, что увеличивает травматичность операции; - нередко возникающая необходимость замены электродов вследствие воспалительных реакций биологической ткани или окутывания электродов соединительной тканью, что снижает эффект стимуляции.

На сегодня при отсутствии эффекта от медикаментозной терапии единственным применяемым хирургическим способом является один - имплантация стимуляторов и электродов. Суть способа изложена в приведенных ниже публикациях. (2, 3)

Сущность изобретения

Основной идеей предложенного способа является та, что вместо подключения биологического проводника к источнику внешнего тока через вживляемый электрод, генерируют этот ток непосредственно в выбранном участке биологического проводника (например, в нейроне или аксоне).

Как известно, на основе закона электромагнитной индукции в движущемся в магнитном поле проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС) индукции.

Суть предлагаемого способа заключается в помещении биологической ткани (например, ткани головного мозга) во внешнее магнитное поле и локальном возбуждении колебательного движения участков проводников

(нейронов, аксонов) с помощью фокусированных ультразвуковых волн. При этом механические колебания тел нервных клеток (нейронов) и их отростков - аксонов

- (или других биологических проводников) вызываются ультразвуком. Магнитоакустическое воздействие опосредованно приводит к возникновению в биологических проводниках электрического тока, который и оказывает непосредственное воздействие. Поэтому данный способ относится к

электростимуляции.

Преимуществами этого способа электростимуляции являются: неинвазивность, возможность фокусирования электрического поля и создания физиологически адекватной плотности тока в любом необходимом объеме ткани любой локализации, простота регулировок параметров стимуляции, безболезненность процедуры стимуляции (в отличие от транскраниальной электростимуляции, которая кроме того является крайне несфокусированной).

Важно и то, что магнитоакустическая стимуляция может являться эффективным инструментом в определении показаний и места для имплантации электродов в каждом отдельном случае.

Предлагаемым способом можно стимулировать также ткань спинного мозга и периферические нервы. Кроме того, способ может быть применен для решения проблем в области кардиологии, которые также могут решаться предлагаемой электростимуляцией. Краткое описание чертежей

Фиг.l - представляет структурную схему установки (вид сверху). Фиг.2 - представляет структурную схему установки (вид сбоку). Подробное описание изобретения

Изобретение описано ниже на примере дистанционной электростимуляции глубоких структур головного мозга предлагаемым способом. Однако очевидно, что вместо нервной ткани головного мозга можно воздействовать также на другие ткани организма человека или животного.

Закон электромагнитной индукции описывается формулой:

E=V*B*1 (1)

Здесь E - ЭДС, наводимая в проводнике длиной 1, движущемся со скоростью V в магнитном поле величины В. В рассматриваемом частном случае проводником является нейрон или аксон. Формулой (1) можно воспользоваться для описания механизма возникновения электрического тока в биологическом проводнике.

В соответствии с (1) ЭДС индукции, наводимая в проводнике, зависит от величины магнитного поля и механической скорости перемещения проводника.

Если магнитное поле и/или скорость перемещения проводника являются

переменными, то и наводимая ЭДС также будет переменной.

Для воздействия акустическими волнами на отдельный участок проводника некоторой длины необходимо сфокусировать эти волны на выбранном участке. При этом для обеспечения условий фокусировки акустических волн необходима достаточно высокая частота ультразвука, так как «пятнo» фокусировки зависит от длины ультразвуковой волны. Величина такого пятна примерно равна нескольким длинам волн. Для обеспечения локальности (точечности) воздействия нужна малая длина волны, т.е. высокая частота. Например, для обеспечения пятна фокусировки размером (диаметром) в 1,5 мм частота ультразвука должна быть порядка f = 1 МГц.

В постоянном магнитном поле частота индуцированного тока также будет равна 1 МГц. Однако, ток такой частоты не оказывает возбуждающего электрического воздействия на нейроны и аксоны. Для создания тока малой частоты F, которая может в частном случае принимать нулевое значение (при этом ток станет фактически постоянным током), магнитное поле должно меняться с частотой f + F или f - F.

Монохроматические волны и колебания описываются, как известно, гармоническими функциями - синус и косинус. Если принять, что в формуле (1) V = V ₀ * соs (2πft), В = B ₀ * соs (2πft + 2πFt), то с точностью до коэффициента К пропорциональности соответствующей размерности, в соответствии с (1) и тригонометрическим тождеством соs α * соs β = 1/2 * соs (α + β) * соs (α - β) получаем: E - V * В * 1 =

= К * соs (2πft) соs (2πft + 2πFt) = К * соs (2πFt) + К * соs (4πft + 2πFt) (2)

(2π - коэффициент пропорциональности между циклической и круговой частотами.)

Таким образом, в спектре индуцированного в биологическом проводнике тока появится низкая разностная частота F (первый член правой части (2)). Здесь t - время.

В приведенных уравнениях V - это механическая колебательная скорость

биологического проводника, который не перемещается с ультразвуковой волной, а остается на месте, совершая только колебания. Изменяющееся магнитное поле указанной частоты также имеет колебательный (квазистатический) характер.

При этом учитывается следующее. Акустические волны на низкой частоте не могут быть сфокусированы в размерах головы пациента. Поэтому высокая частота f должна присутствовать как в акустическом так и в магнитном поле, но одно из них должно отличаться от другого на небольшую разностную частоту F для того, чтобы получить низкочастотную спектральную составляющую в соответствии с формулой (2). При фокусировке акустических волн (ультразвуковой частоты) на выбранном участке ткани в этом участке создается механическое колебательное движение в ответ на упомянутое воздействие акустическими волнами, формируя таким образом в выбранном участке ткани ток низкой частоты в соответствии с (2). Этот возникающий в участке ткани ток низкой частоты и оказывает стимулирующее воздействие на ткань.

При этом колебания акустических волн синхронизированы с колебаниями внешнего магнитного поля. Описание установки Структурная схема установки иллюстрируется фиг.l и 2. Голова пациента 1 частично погружена в контейнер 5, заполненный физиологическим раствором, дистиллированной водой или гелем, который обладает близкими к тканям человека акустическими свойствами. Согласование акустических свойств раствора и тканей человека необходимо для того, чтобы ультразвук из раствора мог перейти в эти ткани без заметного затухания. В растворе располагается фокусирующий источник ультразвука 3 в виде вогнутой пьезокерамической пластины. Вогнутость пластины обеспечивает фокусировку. Вокруг головы располагаются витки (один или несколько) электрического провода, представляющего собой обмотку электромагнита 4 для

' создания необходимого магнитного поля. Рабочий диапазон частот УЗ - от 0,3 до 5 МГц. При этом частота магнитного поля отличается лишь на малую частоту F = 0-1000 Гц. Возможно формирование УЗ колебаний как в импульсном так и в непрерывном режиме.

ИСПРАВЛЕННЫЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 91 ISА/RU)

Хотя в предложенном варианте используется вогнутая пьезокерамическая пластина, в общем случае сфокусировать ультразвуковую волну можно несколькими способами:

1. Отражающими зеркалами. 2. Излучающей пластиной, имеющей вогнутую геометрию, в этом случае передача импульса на структуры мозга может быть осуществлена через упругую прокладку, например, в виде наполненной гелем подушки, что не требует помещения головы человека в "контейнер".

3. Фазовой решеткой, излучатели которой можно накладывать непосредственно на голову, что наиболее оптимально для фокусировки и исследований, но требует больших затрат на расчеты и изготовления.

Синхронизация акустических и магнитных волн может осуществляться одним из следующих способов. Например, при разностной частоте F = O пьезоизлучатель акустических волн и катушка для формирования магнитного поля запитываются от одного генератора, что автоматически обеспечивает синхронизацию. При импульсном режиме начальные фазы ультразвукового и магнитного импульса должны совпадать, например, при включении установки от одного тумблера или посредством специального генератора импульсов. В непрерывном режиме работы, когда частота F не равна нулю, синхронизация не требуется. Таким образом, синхронизация нужна только при F = 0 и импульсном режиме работы системы.

Схема работы установки

Установка работает следующим образом. Выбирается участок головного мозга 2, который должен быть подвергнут электростимулирующему воздействию. На этот участок нацеливается фокус пьезокерамического источника ультразвука 3 путем перемещения пьезоакустической системы 3 внутри сосуда 6.

Включается ультразвуковой излучатель 3 и синхронизированный с ним по частоте электромагнит 4 (синхронизация обеспечивает необходимый разнос частот между акустическим и магнитным полями), что приведет к механическому колебанию нейронов и их аксонов в точке фокусировки под воздействием ультразвука и возникновению в них ЭДС электромагнитной индукции в соответствии с формулой (1) т.е. стимулирующего импульса. Сформированный

стимулирующий импульс может использоваться для возбуждения или торможения (в зависимости от частоты импульсов) в соответствующих структурах - мишенях нервной системы и, тем самым, обеспечить лечебный эффект при ряде заболеваний. ЛИТЕРАТУРА

1. Васин H.Я., Майорчик B.E., Сафронов В.А. Эффекты электростимуляции и деструкции срединного центра зрительного бугра у больных с акинетико-ригидной формой паркинсонизма. /Журн. невропат, психиатр. 1979; 79(9): 1341-1346. 2. Грачев К.В. О применении множественных электродов для вживления в подкорковые структуры головного мозга человека. /Физиол. журн. СССР. 1963; 49(8): 1122-1125.

3. Смирнов В. M. Стереотаксическая неврология. Л. «Meдицинa». Ленинградск. отд., 1976. 264 с. 4. Шабанов В.А. Хирургическое лечение экстрапирамидных расстройств.

//Экстрапирамидные расстройства. /Под ред. В.Н.Штока, И.А.Ивановой- Смоленской, О.С.Левина. M. МЕДпресс-информ. 2002: 552-566.

5. Ваrсiа-Sаlоriо J., Rоldап Р., Talamantes F. еt аl. Еlесtriсаl iпhibitiоп оf bаsаl gапgliа пuсlеi iп Раrkiпsоп's disеаsе. /Stеrеоtасt Fuпсt Nеurоsurg. 1999; 72: 202-207. 6. Benabid A., Вепаzzоuz А., Ноffmашi D., еt аl. Lопg-tеrm еlесtriсаl iпhibitiоп оf dеер brаiп tаrgеts iп mоvеmепt disоrdеrs. /Моv Disird. 1998; 13 (Suррl. 3): 119-125.

7. Benabid AL, Коudsiе А, Вепаzzоuz А, еt аl. Dеер brаiп stimulаtiоп оf thе соrрus luуsi (subthаlаmiс пuсlеus) апd оthеr tаrgеts iп Раrkiпsоп's disеаsе. Ехtепsiоп tо пеw iпdiсаtiопs suсh аs dуstопiа апd ерilерsу. /J Nеurоl. 2001 ; 248(3): 11137-47.

8. Benabid A-L, Ni Z, Сhаbаrdеr S еt аl. Ноw аrе wе iпgibitiпg fuпсtiопаl tаrgеts with high frеquепсу stimulаtiоп? //In: Bаsаl Gапgliа апd Тhаlаmus iп Неаlth апd Моvеmепt Disоrdеrs. /Ed. bу Кultаs-IИпski К. апd Iliпski I. Кluwеr Асаdеmiс/Рlепum Рublishеrs. Nеw Yоrk, Воstоп, Dоrdrесht, Lопdоп, Моskоw. 2000. 309-315.

9. Вепаzzоuz А., Наllеtt M. Месhапisms оf асtiоп оf dеер brаiп stimulаtiоп. /Nеurоlоgу. 2000; 55: S13-S16.

10. Dоstrоvsку J, Lоzапо А. Месhапisms оf Dеер Вrаiп Stimulаtiоп. /Моv Disоrd. 2002; 17: S63-S68.

11. Кrаск P, Frаiх V, Mendes A, еt аl. Роstореrаtivе mапаgеmепt оf subthаlаmiс пuсlеus stimulаtiоп fоr Раrкiпsоп's disеаsе. /Моv.Disоrd. 2002; 17: SI88- SI97.

12. Lее К, Rоbеrts D, Кim U. Еffесt оf high-frеquепсу stimulаtiоп оf thе subthаlаmiс пuсlеus оп subthаlаmiс пеurопs: An iпtrасеllulаr studу. /Stеrеоtасt Fuпсt Nеurоsurg. 2003; 80: 32-36.

13. Oh M, Ноdаiе M, Кim S еt аl. Dеер brаiп stimulаtоr еlесtrоdеs usеr fоr lеsiопiпg: Рrооf оf рriпсiрlе. /Nеurоsurg. 2001; 49: 363-369.

14. Оkuп M, Stоvе N ₅ Subrаmапiап T, еt аl. Соmрliсаtiопs оf Gаmmа kпifе surgеrу fоr Раrkiпsоп's disеаsе. /АrсhNеurоl. 2001; 58: 1995-2002.

15. Роllаk P, Кrасk P, Frаiх V, еt аl. Iпtrаореrаtivе miсrо- апd mасrоstimulаtiоп оf thе subthаlаmiс пuсlеus iп Раrкiпsоп's Disеаsе. /Моv Disоrd. 2002; 17: S155-S161.

16. Rоdriguеz-Оrоz M, Rоdriguеz M, Guridi J, еt аl. Thе subthаlаmiс пuсlеus iп Раrкiпsоп's disеаsе: sоmаtоtорiс оrgапizаtiоп апd рhуsiоlоgiсаl сhаrасtеristiсs. /Вrаiп, 2001; 124: 1777-1790.

17. Vitек J. Соmmепtаrу. Месhапisms оf Dеер Вrаiп Stimulаtiоп: Ехсitаtiоп оr Iпhibitiоп. /Моv Disоrd. 2002; 17: S69-S72.

18. Vоlкmапп J, Неrzоg J, Корреr F, Dеusсhl G. Iпtrоduсtiоп tо thе Рrоgrаmmiпg оf Dеер Вrаiп Stimulаtоrs. /Моv Disоrd. 2002; 17(3): Sl 81 -Sl 87.

19. Yоkоуаmа T, Sugiуаmа К, Nishizаwа S еt аl. Nеurаl асtivitу оf thе subthаlаmiс пuсlеus iп Раrkiпsоп's disеаsе раtiепts. /Асtа Nеurосhir. 1998; 140: 1287- 1291.

20. Yоuпg R ₅ Shumwау-Сооk A ₅ Vеrmеulеп S ₅ еt аl. Gаmmа kпifе rаdiоsurgеrу аs а lеsiопiпg tесhпiquе iп mоvеmепt disоrdеr surgеrу. /Nеurоsurg Fосus. 1997; 2, NЗ.