用于确定对脑刺激的神经血管反应性的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了用于通过最佳放置的设备刺激脑组织的神经血管系统，并且还使用最佳放置的设备同时测量诱发的神经元及血液动力学反应的系统和方法。还公开了用于迭代刺激神经血管系统并记录神经元及血液动力学反应的系统和方法。此外，公开了用于从组合的刺激和测量确定脑神经血管功能的方法，用于在神经血管病症诊断中使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定对脑刺激的神经血管反应性的系统和方法对相关申请的交叉引用本申请要求由ShubbajitRoyChowdury、AnirbanDutta和AbhijitDas于2015年8月12日提交的题为“ApparatusforDeterminingNeurovascularReactivityThroughBrainStimulationByRecordalofNeuralandHaemodynamicResponses”的美国临时专利申请序列号62/204,232的优先日期的权益；其要求由ShubhajitRoyChowdhury、AnirbanDutta和AbhijitDas于2015年1月14日提交的题为“ApparatusforDeterminingNeurovascularReactivityThroughBrainStimulationByRecordalofNeuralandHaemodynamicResponses”的印度专利申请号49/KOL/2015的优先日期的权益。前述申请的全文并入于此。专利
本专利技术总体上涉及医疗诊断系统和方法。更具体地，本专利技术涉及使用神经血管系统刺激和对该刺激的神经元及血液动力学反应的同期记录来确定神经血管反应性的设备、系统和方法。本专利技术还涉及使用刺激诱发的神经元及血液动力学反应的同期记录来确定脑神经血管功能的方法。
技术介绍
中风是残疾和死亡的重要原因，也是全球医疗保健中日益严重的问题。每年仅美国就有超过700,000人患中风，其中超过150,000人死亡。在中风幸存者中，大约90％的人会遭受运动、感觉、记忆或推理的轻到重度长期损害。据估计，美国医疗保健系统的总成本每年超过500亿美元。中风可能是由脑动脉破裂所引起(称为“出血性中风”)，或者是由于血栓栓塞导致的脑动脉阻塞或闭塞(称为“缺血性中风”)。大约80％的中风被归类为缺血性。当患者经历缺血性中风时，闭塞阻止血液流向重要的脑组织，从而使组织缺氧，导致神经细胞损伤和潜在的细胞死亡。除了血管闭塞之外，还会形成可鉴别的缺血核心区和半暗带，其为仍然存活的组织区域，但其中细胞由于半暗带中的梯度灌注不足而缺氧。治疗的靶区域主要是闭塞，但还包括缺血核心区和半暗带。在由于大血管闭塞而经历中风的患者中，在恢复血流之前，每过一分钟就约有190万个神经细胞(或神经元)面临不可逆损伤的风险。因此，提供快速有效的中风诊断和治疗对于保护和恢复患者健康至关重要。但是，尽管中风是残疾和死亡的普遍原因，但可用于中风诊断的方法是有限的。通常，首先通过利用患者面谈和检查来诊断中风，包括利用检测半身无力或麻痹、言语困难或其他常见的中风症状的方案。在患者评估之后，常规进行诊断成像(诸如CT扫描、MRI、超声，或者其一些组合)以便明确诊断中风。实施成像过程以求确定闭塞位置，并使临床医生准备好对凝块进行治疗。然而，患者评估仍然非常主观且在患者间存在变数，并且对于准确诊断中风的成像还存在限制。此外，与其他常见疾病如心肌梗死(或心脏病发作)的诊断情况不同，不存在相当于心电图(EKG)的等同选项，并且验血对于明确诊断中风并无帮助。因此，仍然需要用于诊断中风的改进的系统和方法。利用包括可见光谱和近红外范围内的光在内的光辐射(或光)的方法的诊断潜力早已获得公认。已知的方法包括近红外光谱(NIRS)的透光率测量，用于非侵入性地监测血氧合。由于脑功能与血氧合及通过神经血管偶联提供葡萄糖的血液动力学密切相关，因此NIRS可以用于监测脑功能的非侵入性方法。可以对NIRS波长进行选择，以便能够检测脑组织中氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)的浓度变化。头皮、颅骨、脑脊液和脑周围组织在光谱的近红外范围内呈现出组织透明度的光学窗口，而这允许诊断测量。测量由组织造成的光衰减，并通过公认的数学模型计算氧合血红蛋白的浓度。非侵入性脑刺激(NIBS)如直接电刺激[1]和光生物刺激[2]可以用于扰动脑组织的神经血管状态。NIBS的示例，本文也称为扰动能量，是经颅直流刺激(tDCS)，其是一种使用经由选择性地放置在头皮上的电极向脑递送的恒定低振幅电流的公认神经刺激手段。已经证明，经颅直流刺激(tDCS)会调节皮质神经活动。其他形式的能量也可在本专利技术范围内用作扰动能量。在短时脑刺激期间，可以测量神经血管反应性(NVR)并从而测量脑血流量作为神经元活动连同血液动力学的变化，以及通过脑刺激的能量注入所引起的其中变化。本文提及的神经血管单元(NVU)由内皮、神经胶质、神经元、周细胞和基膜组成，并且已被证明维持脑微环境的稳态[3]。本文提及的血液动力学变化是指脑刺激后NVU中毫秒到秒范围的直接相互作用(诸如经由扩散信使、机电和热相互作用)以及几秒到几十秒范围的间接相互作用的时空动力学。在神经活动期间，来自脑组织的可兴奋膜的电流形式的能量产生电位，该电位当从头皮记录时称为脑电图(EEG)。神经元及血液动力学反应可以使用多模式功能神经成像来测量，例如，使用近红外光谱法(NIRS)和脑电图(EEG)来测量。本专利技术的一个目标是提出多模式脑刺激系统来区别地刺激神经血管单元(NVU)的不同组分，以促进对其包括神经血管解偶联在内的功能状态的可观察性。本专利技术的另一目标是提供一种系统，用于刺激脑组织并同期记录对刺激的反应，如由血液动力学变化和电生理信号变化所分别和共同证明的反应，将记录的数据输入一个或多个数学模型以确定受试者体内的神经血管功能中是否存在缺陷。本专利技术的又一目标是抽象地表示对能量扰动的NVU反应，以便确定NVU在各种神经血管病症中的功能。本专利技术的另一目标是提供能够同时刺激并获得表示神经元及血液动力学活动的诱发数据的便携式设备。该便携式设备的传感器-刺激器组接最佳地基于来自健康受试者和患有特定神经血管病症的受试者的群体数据而初始化，所述特定神经血管病症可通过进行常规成像如磁共振成像(MRI)、CT扫描或其他手段来先验地确定。本专利技术的又一目标是提供基于同时获得的脑刺激诱发神经元及血液动力学反应来确定NVU在各种神经血管病症中的功能的过程。换言之，本专利技术的一个目标是确定感兴趣区域中脑组织的神经血管功能，包括是否存在神经血管功能缺陷以及神经血管缺陷源的位置。
技术介绍
描述。PulgarVM(2015)Directelectricstimulationtoincreasecerebrovascularfunction.FrontSystNeurosci9:54；Gonzalez-LimaF,BarrettDW(2014)Augmentationofcognitivebrainfunctionswithtranscraniallasers.FrontSystNeurosci.doi:10.3389/fnsys.2014.00036；IadecolaC(2004)NeurovascularregulationinthenormalbrainandinAlzheimer'sdisease.NatRevNeurosci5:347-360；GirouardH,IadecolaC(2006)Neurovascularcouplinginthenormalbrainandinhypertension,st本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测受试者的脑组织的神经血管功能缺陷的系统，所述系统包括：扰动能量源，所述扰动能量源用于所述脑组织的非侵入性扰动；能量源，所述能量源用于测量所述脑组织对所述扰动的血液动力学反应；第一传感器，所述第一传感器耦合到所述用于测量所述脑组织对所述扰动的血液动力学反应的能量源，所述第一传感器能够检测和记录所述脑组织对所述扰动的血液动力学反应；第二传感器，所述第二传感器用于测量所述脑组织对所述扰动的神经元反应，所述第二传感器能够检测和记录所述神经元反应。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.14 IN 49/KOL/2015;2015.08.12 US 62/204,2321.一种用于检测受试者的脑组织的神经血管功能缺陷的系统，所述系统包括：扰动能量源，所述扰动能量源用于所述脑组织的非侵入性扰动；能量源，所述能量源用于测量所述脑组织对所述扰动的血液动力学反应；第一传感器，所述第一传感器耦合到所述用于测量所述脑组织对所述扰动的血液动力学反应的能量源，所述第一传感器能够检测和记录所述脑组织对所述扰动的血液动力学反应；第二传感器，所述第二传感器用于测量所述脑组织对所述扰动的神经元反应，所述第二传感器能够检测和记录所述神经元反应。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述扰动能量是光、电流、热、声或振动。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述用于测量所述脑组织的血液动力学反应的能量源是光、声或振动。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述扰动能量是直流电流。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述用于测量所述脑组织的血液动力学反应的能量源是近红外光谱范围内的光，并且所述用于测量所述脑组织的血液动力学反应的传感器是近红外检测器。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述扰动能量源、所述用于测量所述脑组织的血液动力学反应的能量源、所述第一传感器和所述第二传感器被选择性地配置在所述受试者的头皮上，以便扰动感兴趣区域中的所述脑组织，并记录所述组织对该扰动的反应。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述扰动能量源、所述用于测量所述脑组织的血液动力学反应的能量源、所述第一传感器和所述第二传感器被排列在传感器-刺激器单元中。8.根据权利要求7所述的系统，其中所述系统包括多个传感器-刺激器单元。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述多个传感器-刺激器单元基于预期信号反应的数据库而选择性地放置在所述受试者的头皮上，所述数据库是从拟合到三维头部模型的健康和患者实验校准数据获得的。10.根据权利要求8所述的系统，其中所述多个传感器-刺激器单元选择性地安置在帽子中用于放置在所述受试者的头部上，所述传感器-刺激器单元根据解剖标志而选择性地安置。11.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元与所述扰动能量源、所述用于测量所述脑组织对所述扰动的血液动力学反应的能量源、所述第一传感器和所述第二传感器相连通，其中所述数据处理单元能够分析记录到的反应，以确定所述脑组织中是否存在神经血管缺陷。12.根据权利要求11所述的系统，其中所述数据处理单元包括从拟合到三维头部模型的健康和患者实验校准数据获得的数据库。13.根据权利要求11所述的系统，其中所述数据处理单元包括放大器、滤波器和数字转换器，其中信号由所述放大器放大、由所述滤波器过滤并由所述数字转换单元转换为数字数据。14.根据权利要求11所述的系统，其中所述数据处理单元还包括控制器和接收器单元，并且其中数字数据在(1)所述控制器和接收器单元与(2)基站之间无线传输。15.根据权利要求11所述的系统，其中所述数据处理单元能够基于所述脑组织对所述扰动的血液动力学反应和神经元反应来选择性地重新引导所述扰动能量源。16.根据权利要求8所述的系统，其中所述系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元与所述扰动能量源、所述用于测量所述脑组织的血液动力学反应的能量源、所述第一传感器和所述第二传感器相连通，并且其中所述数据处理单元能够执行波束成形，以通过迭代地重新引导所述能量递送并通过比较连续扰动的记录和所述传感器-刺激器单元中的每一个的记录来记录所述反应，来定位神经血管功能中的缺陷源。17.根据权利要求11所述的系统，其中所述数据处理单元能够采用数学算法来定位神经血管功能缺陷源。18.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括：第一刺激单元，所述第一刺激单元用于递送扰动能量；第一记录单元，所述第一记录单元用于检测和记录所述脑组织响应于所述扰动能量的血液动力学反应和神经元反应的能量；控制器和收发器，所述控制器和收发器与所述第一刺激单元和所述第一记录单元相连通。19.根据权利要求18所述的系统，所述系统还包括从所述第一记录单元到所述控制器和收发器连通的切换传感器矩阵、放大器和滤波器以及模数转换单元。20.根据权利要求18所述的系统，所述系统还包括光和电刺激器以及从所述控制器和收发器到所述第一刺激单元连通的切换效应器矩阵。21.根据权利要求8所述的系统，其中所述系统还包括数据处理单元，所述数据处理单元与所述扰动能量源、所述用于测量所述脑组织的血液动力学反应的能量源、所述第一传感器和所述第二传感器连通；其中所述第二传感器测量血液的氧合水平，并且其中所述数据处理单元能够执行将血液的氧合水平与神经元反应相关联的数学分析。22.一种用于检测受试者的脑组织的神经血管功能缺陷的方法，所述方法包括下列步骤：通过向所述受试者的所述脑组织递送能量来扰动所述脑组织；测量所述组织对所述扰动的血液动力学反应；测量所述组织对所述扰动的神经元反应。23.根据权利要求22所述的方法，其中所述方法还包括下列步骤：记录所述血液动力学反应；以及记录所述组织的所述神经元反应。24.根据权利要求22所述的方法，其中所述扰动所述受试者的所述脑组织的步骤包括向所述受试者的所述脑组织递送经颅直流刺激。25.根据权利要求22所述的方法，其中所述测量所述组织的血液动力学反应的步骤包括使用近红外光谱光测量组织氧合。26.根据权利要求22所述的方法，其中所述记录所述组织的神经元反应的步骤包括获取脑电图。27.根据权利要求22所述的方法，其中所述扰动所述受试者的所述脑组织的步骤包括将所述能量递送到感兴趣区域。28.根据权利要求22所述的方法，其中所述方法还包括下列步骤：分析所述组织的血液动力学反应；以及分析所述组织的神经元反应。29.根据权利要求22所述的方法，其中所述方法还包括在所述受试者的头上放置帽子，其中将用于递送能量的刺激器、用于测量血液动力学反应的第一传感器和用于测量神经元反应的第二传感器安置在所述帽子中。30.根据权利要求22所述的方法，其中所述方法还包括下列步骤：提供一数据处理单元，所述数据处理单元用于分析所测量的血液动力学反应和所测量的神经元反应；分析所测量的血液动力学反应和所测量的神经元反应。31.根据权利要求30所述的方法，其中所述方法还包括下列步骤：在基于预定感兴趣区域而选择的多个位置上扰动所述脑组织；基于所述感兴趣区域测量多个位置上所述脑组织的血液动力学反应；基于所述感兴趣区域测量多个位置上所述脑组织的神经元反应。32.根据权利要求31所述的方法，其中所述方法还包括下列步骤：分析所测量的血液动力学反应和所测量的神经元反应；以及基于所测量的血液动力学反应和所测量的神经元反应，迭代地限定所述感兴趣区域。33.根据权利要求32所述的方法，其中所述扰动所述脑组织的步骤包括基于对所测量的血液动力学反应和所测量的神经元反应的分析来重新引导向所述脑组织的所述能量递送的附加步骤。34.根据权利要求30所述的方法，其中所述方法还包括下列步骤：提供多个传感器-刺激器单元，所述多个传感器-刺激器单...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙巴吉特·罗伊·乔杜里，阿涅班·杜塔，阿比吉特·达斯，
申请(专利权)人：纽罗特里克斯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US