Dispositivo para la desincronización de la actividad cerebral neuronal.

Dispositivo para la desincronización de la actividad rítmica de areales cerebrales,

que comprende medios paraestimular regiones cerebrales, caracterizado por que comprende los componentes siguientes:

- N electrodos (2), siendo N ≥ 2, y

- medios de control que están concebidos de tal manera que activan los N electrodos (2) con señales decontrol para que se produzca una reposición de fase de la actividad neuronal en las subpoblaciones deuna población de neuronas a desincronizar estimuladas por los N electrodos (2), estando desfasadosen tiempo, en una medida igual a T/N, los estímulos de reposición de fase consecutivos yadministrados por electrodos diferentes de entre los N electrodos (2) y siendo T el período de laactividad rítmica que se debe desincronizar.

Dispositivo para la desincronización de la actividad cerebral neuronal.

La invención concierne a un dispositivo para la desincronización de la actividad cerebral neuronal según el preámbulo de la reivindicación 1.

En pacientes con trastornos neurológicos o psiquiátricos, por ejemplo enfermedad de Parkinson, tremor esencial, distonía o trastornos obsesivo-compulsivos, algunas agrupaciones de células nerviosas son patológicamente activas, por ejemplo síncronas en grado hiperelevado, en áreas localizadas del cerebro, por ejemplo del tálamo y de los ganglios basales. En este caso, un gran número de neuronas forman en sincronismo potenciales de acción; las neuronas implicadas se disparan con excesivo sincronismo. Por el contrario, en una persona sana las neuronas en estas regiones del cerebro se disparan de manera cualitativamente diferente, por ejemplo de manera incontrolada.

En la enfermedad de Parkinson la actividad patológicamente síncrona, por ejemplo del tálamo y de los ganglios basales, varía la actividad neuronal en otras regiones del cerebro, por ejemplo en areales de la corteza cerebral como el córtex primariamente motor. La actividad patológicamente síncrona en el área del tálamo o de los ganglios basales imprime entonces su ritmo, por ejemplo, a los areales del cerebro, de modo que finalmente los músculos controlados por estos areales despliegan actividad patológica, por ejemplo un temblor rítmico (tremor) .

En pacientes que ya no pueden ser tratados por vía medicamentosa se implanta, según el cuadro clínico de la enfermedad y según que el trastorno se produzca en uno o en ambos lados, un electrodo de profundidad en un lado o en ambos lados. Un cable conduce entonces debajo de la piel desde la cabeza hasta el llamado generador, el cual comprende un instrumento de control con una batería y está implantado debajo de la piel, por ejemplo en la zona de la clavícula. A través de los electrodos de profundidad se realiza una estimulación permanente con una secuencia periódica de alta frecuencia (tren de impulsos con una frecuencia de > 100 Hz) de impulsos individuales, por ejemplo impulsos rectangulares. El objetivo de este método es reprimir el disparo de las neuronas en las regiones diana. El mecanismo de actuación que sirve de base a la estimulación en profundidad estándar no está aún suficientemente aclarado. Los resultados de varios estudios hablan en favor de que la estimulación en profundidad estándar actúa como una lesión reversible, es decir, como una desconexión reversible del tejido: La estimulación en profundidad estándar reprime el disparo de las neuronas en las regiones objetivo y/o en areales cerebrales unidos con ellas.

En esta forma de estimulación es desventajoso el hecho de que el consumo de energía del generador es muy alto, de modo que el generador, incluyendo la batería, tiene que cambiarse frecuentemente ya, por medio de una operación, al cabo de aproximadamente uno a tres años. Aún más desventajoso es el hecho de que la estimulación permanente con alta frecuencia, como entrada antifisiológica (antinatural) en el área del cerebro, por ejemplo del tálamo o de los ganglios basales, puede conducir en el transcurso de unos pocos años a la adaptación de las agrupaciones de células nerviosas afectadas. Para lograr el mismo resultado satisfactorio de estimulación se tiene que estimular entonces con una mayor amplitud de estimulación a consecuencia de esta adaptación. Cuanto mayor sea la amplitud de estimulación tanto mayor será la probabilidad de que, a consecuencia de la estimulación de areales contiguos, se produzcan efectos secundarios - como disartria (trastornos del habla) , disestesia (sensaciones anómalas en parte muy dolorosas) , ataxia cerebelar (incapacidad de mantenerse de pie con seguridad sin ayuda externa) o síntomas del tipo de esquizofrenia, etc -. Estos efectos secundarios no pueden ser tolerados por el paciente. Por tanto, el tratamiento pierde en estos casos su eficacia al cabo de unos pocos años.

Por este motivo, se ha propuesto otro método como el que se ha descrito en el documento DE 102 11 766.7, referente a "Dispositivo de tratamiento de pacientes por medio de estimulación cerebral, un componente electrónico y el uso del dispositivo y del componente electrónico en medicina", en el que se aplican en la respectiva región diana, en forma controlada según las necesidades, unos estímulos que desincronizan la actividad neuronal patológicamente sincronizada. El objetivo de este procedimiento/este dispositivo no es simplemente reprimir el disparo patológicamente síncrono como en la estimulación en profundidad estándar, sino aproximarse en mayor medida al modelo de disparo fisiológico no correlacionado. Se pretende así, por un lado, reducir el consumo de corriente y, por otro, prevenir procesos de adaptación del tejido nervioso que conduzcan a efectos secundarios a través de un incremento de la amplitud de estimulación. Sin embargo, este procedimiento de desincronización controlado según las necesidades tiene también inconvenientes relevantes.

Los inconvenientes de los procedimientos de estimulación de desincronización controlados según las necesidades conforme al documento DE 102 11 766.7 resultan del hecho siguiente: Para desincronizar una agrupación de células nerviosas sincronizadas con un estímulo eléctrico se tiene que administrar con precisión un estímulo eléctrico de duración determinada a una fase determinada de la actividad rítmica patológica en el areal diana. Dado que tal precisión no puede lograrse todavía fiablemente por vía experimental en la actualidad, se emplean estímulos compuestos. El primer estímulo de tal estímulo compuesto controla la dinámica de la población a desincronizar por medio de una reposición, es decir, un nuevo arranque, mientras que el segundo estímulo del estímulo compuesto alcanza a la agrupación de células nerviosas en un estado vulnerable y la desincroniza. Sin embargo, es imprescindible para ello que sea suficiente la calidad del control, es decir, la calidad de la reposición, lo que puede dar lugar, en ciertas circunstancias, a que tenga que emplearse un fuerte estímulo para la reposición. Sin embargo, esto deberá evitarse en el sentido de una aminoración de efectos secundarios. No obstante, es aún más decisivo el hecho de que la acción desincronizante deseada se presenta solamente cuando se elijan óptimamente los parámetros de estimulación, es decir, la duración de los estímulos individuales y especialmente la pausa entre los estímulos primero y segundo. Esto tiene serias consecuencias:

1. Es necesario un proceso de calibración que lleva mucho tiempo y que típicamente dura más de 30 minutos.

2. A consecuencia del proceso de calibración que lleva mucho tiempo, el efecto de la estimulación desincronizante según el documento DE 102 11 766.7 no puede ser aprovechado para la selección

intraoperativa del punto diana más adecuado para el electrodo de profundidad. A este fin, se tendría que ensayar por separado para diferentes puntos diana el efecto de la estimulación desincronizante según el documento DE 102 11 766.7, lo que requeriría una calibración separada para cada punto diana; esto alargaría la duración de la implantación del electrodo de una manera que no se le puede exigir al paciente.

3. En caso de fluctuaciones relativamente grandes de las propiedades de la red, es decir, fluctuaciones de los parámetros que describen la actividad de la población de células nerviosas, como, por ejemplo, intensidades y cadencias de disparo sinápticas, tiene que realizarse un nuevo calibrado, lo que significa que no se puede lograr ningún efecto terapéutico durante la calibración.

4. Dado que la estimulación desincronizante según el documento DE 102 11 766.7 actúa solamente cuando la frecuencia de la población de neuronas que se debe desincronizar no está sometida a mayores fluctuaciones, esta estimulación no se puede aplicar a trastornos con episodios de corta duración de actividad síncrona patológicamente hiperelevada con frecuencia fuertemente variable, es decir, por ejemplo, en el caso de epilepsias.

Se conoce por el documento "Reposición de fase desincronizante de doble impulso y aplicación a estimulación profunda del cerebro" de P. Tass, Biol. Cybern. 85, 2001, páginas 343 a 354, un procedimiento para la reposición de fase de una población de neuronas. Los documentos EP 1 145 736 A2, US 5 299 569 A, US 5 540 734 A, US 2001/051819 A1, US 6 529 774 B1 y WO 97/42990 A1 revelan otras aplicaciones de neuroestimuladores.

Por tanto, el problema de la invención consiste en crear un dispositivo para la desincronización de la actividad cerebral neuronal con el que,... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para la desincronización de la actividad rítmica de areales cerebrales, que comprende medios para estimular regiones cerebrales, caracterizado por que comprende los componentes siguientes:

-N electrodos (2) , siendo N ≥ 2, y

- medios de control que están concebidos de tal manera que activan los N electrodos (2) con señales de control para que se produzca una reposición de fase de la actividad neuronal en las subpoblaciones de una población de neuronas a desincronizar estimuladas por los N electrodos (2) , estando desfasados en tiempo, en una medida igual a T/N, los estímulos de reposición de fase consecutivos y administrados por electrodos diferentes de entre los N electrodos (2) y siendo T el período de la actividad rítmica que se debe desincronizar.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que el sistema de control (4) activa cada vez al menos una parte de los al menos dos electrodos (2) de modo que se estimule directamente la población de neuronas que se debe desincronizar, y/o se estimule una población de neuronas unida a través de un haz de fibras nerviosas con la población de neuronas 15 que se debe desincronizar, y/o se estimule un haz de fibras nerviosas unido con la población de neuronas que se debe desincronizar.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que comprende un sistema de control (4) que activa los al menos dos electrodos (2) con señales para estímulos individuales.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por que el sistema de control (4) genera estímulos

individuales que son al menos un componente del grupo de un impulso individual, un tren de impulsos de alta frecuencia y un tren de impulsos de baja frecuencia.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado por que el sistema de control (4) genera trenes de impulsos de alta y de baja frecuencia que se componen de impulsos individuales.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado por que el sistema de control (4) genera

impulsos individuales que son al menos un componente del grupo de un impulso individual monofásico positivo, un impulso individual monofásico negativo y un impulso individual bifásico.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado por que el sistema de control genera impulsos individuales bifásicos que se componen de impulsos individuales monofásicos positivos y negativos, cuya aportación neta de energía es sustancialmente nula.

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado por que el sistema de control (4) genera trenes de impulsos de alta frecuencia y/o trenes de impulsos de baja frecuencia, siendo los impulsos individuales empleados dentro de un tren de impulsos - de diferente amplitud y/o naturaleza y/o duración y/o estando separados estos impulsos por distancias temporales diferentes.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 4 a 8, caracterizado por que el sistema de control (4) genera trenes de impulsos de alta frecuencia y/o trenes de impulsos de baja frecuencia, siendo idénticos los impulsos individuales empleados dentro de un tren de impulsos.

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 3 a 8, caracterizado por que el sistema de control (4) genera trenes de impulsos de alta frecuencia y/o trenes de impulsos de baja frecuencia, pudiendo variarse por vía estocástica y/o determinística en los impulsos individuales empleados dentro de un tren de impulsos la amplitud y/o la naturaleza y/o la duración y/o las distancias temporales.

11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 4 a 10, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que dentro de un tren de impulsos de alta frecuencia o de un tren de impulsos de baja frecuencia se apliquen los impulsos individuales en forma sustancialmente periódica o en instantes que varíen en forma estocástica y/o determinística.

12. Dispositivo según una de las reivindicaciones 3 a 11, caracterizado por que el sistema de control (4) puede variar la naturaleza y/o la aportación de energía y/o la polaridad de los estímulos individuales.

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que el sistema de control (4) entrega señales a los al menos dos electrodos (2) en instantes al menos parcialmente diferentes.

14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado por que el sistema de control (4) activa todos los

electrodos (2) en instantes diferentes.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones 13 ó 14, caracterizado por que el sistema de control (4) entrega señales a los al menos dos electrodos (2) en instantes que al menos en parte son sustancialmente equidistantes.

16. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por que el sistema de control (4) comprende

un detector que está programado de modo que detecte diferencias en el tiempo de conducción entre el lugar de estimulación de un electrodo individual de los al menos dos electrodos (2) y el lugar de ubicación de la población de neuronas estimulada por él.

17. Dispositivo según la reivindicación 16, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que éste, al calcular los instantes de los estímulos individuales de los electrodos individuales (2) , calcule también los 10 tiempos de conducción correspondientes.

18. Dispositivo según una de las reivindicaciones 3 a 17, caracterizado por que el sistema de control (4) entrega a los al menos dos electrodos (2) unas señales para estímulos totales que se componen de señales para estímulos individuales.

19. Dispositivo según la reivindicación 18, caracterizado por que, en el marco de un estímulo total, el sistema de 15 control (4) entrega a al menos dos electrodos (2) de N electrodos (2) un respectivo estímulo individual.

20. Dispositivo según una de las reivindicaciones 18 ó 19, caracterizado por que, en el marco de un estímulo total, el sistema de control (4) entrega a todos los electrodos (2) un respectivo estímulo individual.

21. Dispositivo según una de las reivindicaciones 18 a 20, caracterizado por que el sistema de control (4) genera estímulos totales cuya aportación neta de energía es sustancialmente nula.

22. Dispositivo según una de las reivindicaciones 18 a 21, caracterizado por que, en el marco de la aplicación de un estímulo total, el sistema de control (4) entrega señales a todos los electrodos (2) en instantes sustancialmente equidistantes.

23. Dispositivo según una de las reivindicaciones 18 a 22, caracterizado por que el sistema de control (4) obtiene la secuencia de los impulsos totales con un algoritmo determinístico y/o estocástico.

24. Dispositivo según una de las reivindicaciones 18 a 23, caracterizado por que el sistema de control (4) obtiene y varía la secuencia y/o la naturaleza y/o la intensidad y/o la aportación de energía de los estímulos individuales en un estímulo total con un algoritmo determinístico y/o estocástico.

25. Dispositivo según una de las reivindicaciones 18 a 24, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que se pueden variar los electrodos (2) activados en el marco de un estímulo total.

26. Dispositivo según la reivindicación 25, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que los electrodos (2) activados en el marco de un estímulo total pueden ser variados por algoritmos estocásticos y/o determinísticos.

27. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 26, caracterizado por que los al menos dos electrodos (2) son al menos en parte de longitud diferente.

28. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 27, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que no es controlado según las necesidades.

29. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 27, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que es controlado según las necesidades.

30. Dispositivo según la reivindicación 29, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo 40 que emplea para la operación de control la señal de realimentación medida por medio de un sensor (3) .

31. Dispositivo según la reivindicación 30, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que emplea la amplitud de la señal de realimentación medida por medio del sensor (3) .

32. Dispositivo según la reivindicación 31, caracterizado por que el sistema de control (4) estima la amplitud de la señal de realimentación medida por el sensor (3) , para lo cual dicho sistema emplea la propia señal de

realimentación y/o el valor absoluto de la señal de realimentación y/o la señal de realimentación filtrada en paso de banda en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad y/o el valor absoluto de la señal de realimentación filtrada en paso de banda en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad y/o la amplitud instantánea determinada con filtrado de paso de banda y transformación de Hilbert subsiguiente o con análisis de onditas.

33. Dispositivo según una de las reivindicaciones 29 a 32, caracterizado por que el sistema de control (4) adapta el 20

período de estimulación T a la frecuencia momentánea de la población de neuronas que se debe desincronizar.

34. Dispositivo según la reivindicación 33, caracterizado por que el sistema de control (4) determina la frecuencia momentánea de la población de neuronas que se debe desincronizar mediante una estimación de la diferencia temporal de puntos de disparo o por medio de estimadores de frecuencia.

35. Dispositivo según una de las reivindicaciones 29 a 34, caracterizado por que el sistema de control (4) trabaja con arreglo a una temporización controlada según las necesidades.

36. Dispositivo según la reivindicación 35, caracterizado por que el sistema de control (4) aplica un estímulo total al detectarse una característica patológica en la señal de realimentación medida por el sensor (3) .

37. Dispositivo según la reivindicación 36, caracterizado por que el sistema de control (4) detecta una característica patológica detectando la superación de un valor umbral de la amplitud de la señal de realimentación medida por el sensor (3) .

38. Dispositivo según una de las reivindicaciones 35 a 37, caracterizado por que el sistema de control (4) detecta una característica patológica detectando la superación de un valor umbral de la amplitud de la señal de realimentación medida por el sensor (3) y filtrada en paso de banda en el dominio de frecuencia específico de la enfermedad.

39. Dispositivo según una de las reivindicaciones 37 ó 38, caracterizado por que el sistema de control (4) compara la amplitud de la señal de realimentación medida por el sensor (3) con el valor umbral.

40. Dispositivo según una de las reivindicaciones 36 a 39, caracterizado por que, para la detección de una característica patológica, el sistema de control (4) compara la amplitud de la señal de realimentación medida por el sensor (3) con el valor umbral dentro de una ventana de tiempo flotante.

41. Dispositivo según una de las reivindicaciones 35 a 40, caracterizado por que el sistema de control (4) regula la intensidad del estímulo en una escala de tiempo entre 10 y 1000 períodos de la señal de realimentación de modo que se desincronice suficientemente la población de neuronas que se debe desincronizar.

42. Dispositivo según la reivindicación 41, caracterizado por que, para regular la intensidad del estímulo, el sistema de control (4) varía la amplitud de los impulsos individuales y/o el número y/o la cadencia y/o la duración de los impulsos individuales en un tren de impulsos de alta o de baja frecuencia.

43. Dispositivo según una de las reivindicaciones 29 a 34, caracterizado por que el sistema de control (4) trabaja con una intensidad de estímulo controlada según las necesidades.

44. Dispositivo según la reivindicación 43, caracterizado por que el sistema de control (4) genera impulsos totales en instantes tj, en donde se cumple que

tj+1-tj = NjT + xj

Fórmula 2

45. Dispositivo según la reivindicación 44, caracterizado por que el sistema de control (4) genera los impulsos totales en instantes tj, siendo la secuencia numérica dada por N1, N2, N3, etc. una secuencia numérica constante o bien siendo ésta generada según un principio de formación estocástico y/o caótico.

46. Dispositivo según una de las reivindicaciones 43 a 45, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que adapte la intensidad del estímulo total individual a la expresión de la característica patológica y/o a la amplitud de la señal de realimentación.

47. Dispositivo según una de las reivindicaciones 43 a 46, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que el número Mj de impulsos individuales en el respectivo tren de impulsos de alta frecuencia aplicado a través de los electrodos (2) viene dado por

maxM min

M ∃ A % M

jj max

A

Fórmula 3

48. Dispositivo según una de las reivindicaciones 43 a 47, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que la relación entre intensidad de estímulo y expresión de la característica patológica sea manualmente ajustable o se regule automáticamente en función del éxito de estimulación.

49. Dispositivo según una de las reivindicaciones 47 ó 48, caracterizado por que el sistema de control (4) está programado de modo que regule parámetros de la fórmula 3

maxM min

M ∃ A % M

jj max

A

en una escala de tiempo de entre 10 y 1000 períodos de la señal de realimentación para que se suprima en grado suficiente la característica patológica.

Figura 1