SISTEMA Y MÉTODO DE ADQUISICIÓN Y TRANSFERENCIA DE ACTIVIDAD NEURONAL.

Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal que comprende al menos una pluralidad de sensores bioeléctricos

(20000), un transceptor inalámbrico (30000), un nudo de comunicaciones (10000) conectado entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el transceptor inalámbrico (30000), y una pluralidad de electrodos intracraneales (60000), tal que el nudo de comunicaciones (10000) está configurado para transmitir datos bidireccionalmente entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el transceptor inalámbrico (30000), de forma que en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico (30000) hacia los sensores bioeléctricos (20000), el nudo de comunicaciones (10000), gestiona una configuración de parámetros, una calibración y un modo de operación de los sensores bioeléctricos (20000) y, en el sentido de transmisión de datos desde los sensores bioeléctricos (20000) hacia el transceptor inalámbrico (30000), colecta, seria y conforma información neuronal de una señal neuronal capturada por la pluralidad de sensores bioeléctricos.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201430390.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: RODRIGUEZ VAZQUEZ,ANGEL, DELGADO RESTITUTO,Manuel, RODRÍGUEZ PÉREZ,Alberto.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION A — NECESIDADES CORRIENTES DE LA VIDA > CIENCIAS MEDICAS O VETERINARIAS; HIGIENE > DIAGNOSTICO; CIRUGIA; IDENTIFICACION (análisis de... > Medidas encaminadas a establecer un diagnóstico... > A61B5/04 (Medida de señales bioeléctricas del cuerpo o de partes del mismo)
google+ twitter facebookPin it
SISTEMA Y MÉTODO DE ADQUISICIÓN Y TRANSFERENCIA DE ACTIVIDAD NEURONAL.

Fragmento de la descripción:

Sistema y método de adquisición y transferencia de actividad neuronal

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención se refiere a un nudo de comunicaciones, comprendido en 5 un sistema para la adquisición y transferencia de actividad neuronal, configurado para transmitir datos bidireccionalmente entre una pluralidad de sensores bioeléctricos y un transceptor inalámbrico, ambos igualmente comprendidos en dicho sistema.

En un sentido de las comunicaciones, el nudo de comunicaciones, gestiona la configuración de parámetros y el modo de operación de la pluralidad de sensores bioeléctricos y, en 10 sentido contrario, colecta, seria y conforma la actividad neuronal capturada por la pluralidad de sensores bioeléctricos para que pueda ser emitida a través del transceptor inalámbrico.

Adicionalmente, el nudo de comunicaciones ofrece dos modos de transmisión: en un caso, se transfiere la actividad neuronal completa, capturada y digitalizada por una selección de 15 entre la pluralidad de sensores bioeléctricos; en otro caso, se transfiere información relativa a los potenciales de acción neuronales detectados y caracterizados por la pluralidad de sensores bioeléctricos en su conjunto.

Con vistas a reducir el ancho de banda de transmisión y así disminuir el consumo de 20 potencia total del sistema, la transmisión de información relativa a los potenciales de acción neuronales se realiza en base a eventos, de manera que sólo se transfiere información desde un sensor bioeléctrico en el caso de que dicho sensor constate la aparición de un potencial de acción neuronal.

También se describe el método asociado a la transferencia de datos entre la pluralidad de dichos sensores bioeléctricos y el transceptor inalámbrico del sistema para la adquisición y transferencia de actividad neuronal.

Encuentra especial aplicación en el ámbito de la industria de las tecnologías físicas y más, 30 en concreto, en el ámbito de las tecnologías de la información y las comunicaciones aplicadas a la bioingeniería.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En los últimos años, nuevos avances tecnológicos están permitiendo la monitorización de señal bioeléctrica cerebral desde dispositivos implantados en el paciente. Con estos dispositivos se consiguen niveles de detalle espacio-temporal muy superiores a los alcanzables mediante electroencefalografía, gracias al uso de matrices de electrodos con separaciones del orden de decenas de micras y anchos de banda superiores al kilohertzio. 5 Este incremento de resolución está permitiendo la prescripción de tratamientos más focalizados, el desarrollo de nuevos procedimientos terapéuticos o la implementación de interfaces cerebro-máquina.

El uso de electrodos implantados plantea retos específicos a los sistemas de adquisición y 10 transferencia de actividad neuronal. Con objeto de reducir la degradación de las señales capturadas, eliminar la eventualidad de infecciones o fallos por errores de manipulación y simplificar el procedimiento quirúrgico de implantación, se ha de evitar el uso de cables desde el cerebro hacia el exterior del cuerpo. Por tal motivo, en una configuración preferente, el sistema de adquisición implantado junto con la matriz de electrodos, contiene 15 tantos sensores bioeléctricos como electrodos la matriz, y la transferencia de información hacia o desde un lector extracorpóreo se realiza de forma inalámbrica a través de un enlace que debe superar la atenuación impuesta por los tejidos intermedios.

Un aspecto crítico en la implementación de esta configuración preferente de sistema de 20 adquisición y transferencia de actividad neuronal es el uso de técnicas de diseño con consumos ultra-bajos de potencia y el empleo de protocolos de compresión de información para reducir la tasa de envío de datos a través del transceptor inalámbrico comprendido en dicho sistema. En una configuración preferente del protocolo de compresión, dicho transceptor sólo debe enviar aquella información que sea clínicamente relevante y 25 permanecer inactivo mientras la señal capturada no muestre indicios de interés.

Esta estrategia destinada a la economía de recursos es particularmente evidente cuando el sistema de adquisición y transferencia se destina a la interpretación de potenciales de acción neuronales. En una configuración preferente de este tipo de sistemas, todo sensor bioeléctrico permanece en estado latente y, por tanto, no transmite ninguna información al 30 exterior, en tanto en cuanto no detecta un potencial de acción neuronal.

Obviamente, la implementación de esta solución preferente no debe comprometer la eficacia del procedimiento terapéutico o de la interfaz cerebro-máquina que hace uso del sistema para la adquisición y transferencia de actividad neuronal. Así, en muchas aplicaciones, como la mostrada en el documento "L. R. Hochberg, et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature, vol. 442, p. 164, 2006, " no basta con indicar la 5 ocurrencia de un potencial de acción neuronal sino que también hay que proporcionar información relativa a la morfología espacio-temporal de los potenciales de acción con vistas a su ordenamiento y clasificación.

Los sistemas de adquisición neuronales existentes no satisfacen completamente todos los 10 objetivos anteriores. Por ejemplo, el documento de estado de la técnica con número de aplicación US 2010/0106041 A1, con título "Systems and methods for multichannel wireless implantable neural recording" presenta un sistema inalámbrico para la adquisición de actividad neuronal. Sin embargo, la ausencia de elementos de pre-procesamiento para la reducción de la tasa de datos del enlace inalámbrico hace que el consumo de potencia del 15 implante sea alto y requiera del uso de baterías lo que acorta el tiempo de vida del mismo.

El documento de estado de la técnica con número de publicación US 2013/0090706 Al y de título "Methods and associated neural prosthetic devices for bridging brain areas to improve function", también emplea detectores de potenciales de acción neuronales pero la 20 transmisión de datos no contempla ni la descripción morfológica del potencial de acción ni la compresión por eventos, con lo que el transceptor inalámbrico permanece activo en todo momento tanto si se detectan potenciales de acción como si no. En ninguno de los casos anteriores la interfaz entre la matriz de sensores bioeléctricos y el transceptor inalámbrico es bidireccional. 25

Por tanto, la presente invención viene a solucionar los problemas del estado de la técnica anteriormente mencionados, proporcionando un sistema que presenta las siguientes ventajas:

1. Posee un sistema de comunicación inalámbrico que permite eliminar los cables desde la corteza cerebral al exterior del cuerpo.

2. Existen elementos de pre-procesamiento y protocolos de compresión para la reducción de la tasa de envío de datos del enlace inalámbrico lo que permite consumos ultra-bajos de potencia.

3. La interfaz entre la matriz de sensores bioeléctricos y el transceptor inalámbrico es bidireccional. 5

4. El transceptor inalámbrico envía aquella información que sea clínicamente relevante y permanece inactivo mientras la señal capturada no muestre indicios de interés.

5. Economía de recursos ya que todo sensor bioeléctrico permanece en estado latente y, por tanto, no transmite ninguna información al exterior, en tanto 10 en cuanto no detecta un potencial de acción neuronal. De este modo, la actividad del sistema de adquisición y transferencia está determinada por los eventos de interés clínico capturados desde la matriz de electrodos intracraneales....

 


Reivindicaciones:

1. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal que comprende:

- una pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) , 5

- un transceptor inalámbrico (30000) que comprende un transmisor (32000) y un receptor (33000) ,

- un nudo de comunicaciones (10000) conectado entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el transceptor inalámbrico (30000) ,

- una pluralidad de electrodos intracraneales (60000) , que capturan actividad neuronal, 10 conectados a la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) ,

- una pluralidad de unidades de calibración (50000) conectadas a la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) para ajustar unas características de transferencia de la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) , y

- un módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj (40000) para la gestión del nudo 15 de comunicaciones (10000) ,

caracterizado por que:

- el nudo de comunicaciones (10000) está configurado para transmitir datos 20 bidireccionalmente entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el transceptor inalámbrico (30000) de forma que:

o en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico (30000) hacia los sensores bioeléctricos (20000) , el nudo de comunicaciones (10000) , gestiona una configuración de parámetros, una calibración y un 25 modo de operación de los sensores bioeléctricos (20000) y,

o en el sentido de transmisión de datos desde los sensores bioeléctricos (20000) hacia el transceptor inalámbrico (30000) , colecta, seria y conforma información neuronal de una señal neuronal capturada por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) . 30

2. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según la reivindicación 1, caracterizado por que los sensores bioeléctricos (20000) comprenden:

- unos medios de amplificación y filtración de la señal neuronal capturada desde los electrodos intracraneales (60000) ,

- unos medios de calibración automática de unos niveles máximos de tensión y una 5 banda de frecuencia de la señal neuronal acondicionada por los medios de amplificación y filtración;

- unos medios de conversión de la señal neuronal acondicionada del dominio analógico al digital;

- unos medios de compresión de la información neuronal capturada; y 10

- unos medios de almacenamiento temporal de dicha información neuronal capturada.

3. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el nudo de comunicaciones (10000) comprende: 15

- un procesador central (11000) que interpreta y aplica unas instrucciones recibidas desde el receptor (33000) , procesa digitalmente las señales neuronales generadas por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) , y codifica la información neuronal recopilada desde la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) para su posterior 20 transmisión a través del transceptor inalámbrico (30000) , y

- una pluralidad de enrutadores de señal (12000) que implementan una interfaz de datos entre la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y el procesador central (11000) , donde cada enrutador de señal (12000) está asociado y conectado 25 eléctricamente a un único sensor bioeléctrico (20000) .

4. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el procesador central (11000) comprende: 30

un módulo de codificación y decodificación (11001) para el intercambio de información con el transceptor inalámbrico (30000) ;

un módulo de recepción y clasificación de datos (11002) para la interpretación de las instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico (30000) ;

un módulo de memoria de instrucciones y parámetros (11003) para almacenar la configuración del sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal; y 5

un módulo de selección, configuración y adquisición (11004) que sirve de interfaz con los enrutadores de señal (12000) que transfieren la información generada por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) .

5. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según la 10 reivindicación 4, caracterizado por que el módulo de codificación y decodificación (11001) para el intercambio de información con el transceptor inalámbrico (30000) comprende:

- en un sentido de las comunicaciones:

un sincronizador de datos (11010) que alinea unos flancos de una señal demodulada proporcionada por el receptor (33000) con una 15 señal de reloj maestra generada por el módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj (40000) ; y

un decodificador (11020) que decodifica dicha señal demodulada mediante la conversión de la señal demodulada a un código binario, 20

- en el otro sentido de las comunicaciones:

un convertidor paralelo-serie (11120) que seria una señal con unos datos de salida proporcionados por el procesador central (11000) , tras recibir una señal de activación; y

un codificador (11130) que codifica la señal seriada con los datos de 25 salida a un formato de señal definido en el transmisor (32000) para su posterior modulación por dicho transmisor (32000) .

6. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según la reivindicación 4 o 5, caracterizado por que el módulo de recepción y clasificación de datos 30 (11002) para la interpretación de las instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico (30000) comprende:

un registro de datos (11030) que almacena una trama de datos DATA_DEC de una instrucción recibida por el decodificador (11020) ;

un módulo de validación CRC (11040) para verificar la integridad de la trama de datos DATA_DEC;

un identificador de comando (11050) que analiza el contenido del 5 registro de datos (11030) y genera un vector digital MODE representativo de un modo de operación especificado en la instrucción recibida; y

una pluralidad de máquinas de estado de recepción de datos (11060) que se habilitan selectivamente de acuerdo con un valor del vector 10 digital MODE.

7. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según la reivindicación 4, 5 o 6, caracterizado por que el módulo de memoria de instrucciones y parámetros (11003) para almacenar la configuración del sistema (1) de adquisición y 15 transferencia de actividad neuronal comprende:

una pila de datos (11070) en la que se vuelcan, sobrescribiendo datos previos, un cualificador QERS, un rango de aplicación y unos parámetros de configuración, si los hubiere, identificados por las máquinas de estado de recepción de datos (11060) ; y 20

una memoria no volátil (11080) en donde se almacenan unos valores por defecto,

donde la pila de datos (11070) carga los valores almacenados por defecto en la memoria no volátil (11080) , desde donde se transfieren a la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) . 25

8. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según la reivindicación 4, 5, 6 o 7, caracterizado por que el módulo de selección, configuración y adquisición (11004) que sirve de interfaz con los enrutadores de señal (12000) que transfieren la información generada por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) 30 comprende:

un módulo de selección y programación (11090) ;

una pluralidad de máquinas de estado de transmisión de datos (11100) ; y

un bloque de temporización (11110) para una generación de señales de reloj escaladas en frecuencia a partir de la señal de reloj maestra.

9. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los enrutadores de señal (12000) comprenden:

- un registro (12100) en el que se almacena la información neuronal 10 proporcionada por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) ,

- una memoria interna (12200) en la que se organiza la información neuronal en unos vectores de longitud fija,

- un módulo de control (12300) que gestiona cada enrutador de señal (12000) , y 15

- un módulo para la transferencia de información (12400) que comprende un bus paralelo para transmitir ordenadamente los vectores de longitud fija a las máquinas de estado de transmisión de datos (11100) .

10. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una 20 cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la pluralidad de electrodos intracraneales (60000) están seleccionados entre:

- unos electrodos electrocorticográficos sub-durales,

- unos electrodos penetrantes intracorticales,

- una sonda cerebral profunda con puntos de sensado, y 25

- una combinación de los anteriores.

11. Sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el número de sensores bioeléctricos (20000) coincide con el número de electrodos intracraneales (60000) y con el 30 numero de enrutadores de señal (12000) .

12. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal que emplea el sistema (1) definido en las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que el nudo de comunicaciones (10000) comprende:

- en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico (30000) hacia 5 la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) :

activar, dimensionar y calibrar la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) , de acuerdo con unas instrucciones recibidas desde el transceptor inalámbrico (30000) , para la captura y compresión de actividad neuronal, 10

corregir las desviaciones de unos circuitos analógicos de amplificación y filtrado comprendidos en los sensores bioeléctricos (20000) , y

- en el sentido de transmisión de datos desde la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) hacia el transceptor inalámbrico (30000) : 15

transferir los datos capturados por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) al transceptor inalámbrico (30000) para monitorizar externamente la actividad neuronal mediante un lector extracraneal.

13. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal según la reivindicación 12, caracterizado por que los sensores bioeléctricos (20000) , en el sentido de transmisión de datos desde el transceptor inalámbrico (30000) hacia la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) comprenden dos modos de operación:

un Modo de Configuración mediante el que se definen los parámetros de operación de los sensores bioeléctricos (20000) para capturar y comprimir la actividad neuronal, y

un Modo de Calibración mediante el que se corrigen de forma automática las 30 desviaciones de los medios de amplificación y filtrado comprendidos en los sensores bioeléctricos (20000) .

14. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal según la reivindicación 12 o 13, caracterizado por que los sensores bioeléctricos (20000) , en el sentido de transmisión de datos desde la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) hacia el transceptor inalámbrico (30000) , comprenden dos modos de operación:

- un Modo de Seguimiento de Señal: se transfiere la actividad neuronal completa, capturada y digitalizada desde la pluralidad de electrodos intracraneales (60000) ,

- un Modo de Compresión de Datos: se transfiere actividad neuronal relativa a unos potenciales de acción neuronales detectados desde la pluralidad de electrodos 10 intracraneales (60000) .

15. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal según la reivindicación 14, caracterizado por que en el modo de compresión de datos, el nudo de comunicaciones (10000) comprende: 15

- detectar unos eventos mediante unos medios de procesamiento digital empotrado realizando un examen cíclico de los sensores bioeléctricos (20000) , - identificar aquellos sensores bioeléctricos (20000) en donde se ha constatado un potencial de acción neuronal,

- conformar una trama de datos por cada sensor bioeléctrico (20000) en donde se ha 20 producido el evento, y

- seriar las tramas de datos generadas para su posterior transmisión inalámbrica a través del transceptor inalámbrico (30000) .

16. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal según una cualquiera 25 de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada modo de operación comprende una trama de datos de entrada al procesador central, donde cada trama de datos comprende seis campos:

- un primer campo que define un preámbulo; 30

- un segundo campo que define el modo de operación de los sensores bioeléctricos (20000) ;

- un tercer campo que define un rango de aplicación entre los sensores bioeléctricos (20000) ;

- un cuarto campo que define un cualificador particularizado para cada modo de operación, que direcciona agrupaciones de parámetros o define variables de ejecución de los modos de operación, 5

- un quinto campo que define un conjunto de parámetros de configuración para los sensores bioeléctricos (20000) seleccionados por dicho rango de aplicación, y

- un sexto campo que define un código de redundancia cíclica CRC.

17. Método de adquisición y transferencia de actividad neuronal, según una cualquiera 10 de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el procesador central (11000) :

- interpreta instrucciones recibidas desde el receptor (33000) ,

- gestiona los modos de operación de la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) ,

- ordena, procesa, formatea y envía al transceptor inalámbrico (30000) las señales 15 neuronales transmitidas por la pluralidad de sensores bioeléctricos (20000) y transferidas al nudo de comunicaciones (10000) a través de los enrutadores de señal (12000) , y - opera con una señal de reloj maestra proporcionada por el módulo de gestión de potencia y síntesis de reloj (40000) . 20

18. Uso del sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal definido en las reivindicaciones 1 a 11 como cabecera de una interfaz hombre-máquina.

19. Uso del sistema (1) de adquisición y transferencia de actividad neuronal según la 25 reivindicación 18 donde el sistema (1) comprende la adquisición de unas señales provenientes de un córtex motor.