Hluboké Transkraniální Magnetická Stimulace: Vylepšená Konstrukce Cívky a Hodnocení Indukovaného Pole Pomocí MIDA Model

Abstrakt

Stimulace hlubokých mozkových struktur pomocí transkraniální magnetické stimulace (TMS) je metoda pro aktivaci hluboké neuronů v mozku a může být prospěšné pro léčbu psychiatrických a neurologických poruch. Pro číselně prozkoumat možnost pro hlubší mozkové stimulace (elektrické pole dosahuje hipokampu, nucleus accumbens, a mozeček), v kombinaci TMS cívky pomocí double-cone coil s Halo cívka (HDA), byly modelovány a vyšetřován. Numerické simulace byly provedeny pomocí MIDA: nový multimodální zobrazovací detailní anatomický model lidské hlavy a krku. Byly vypočteny 3D distribuce hustoty magnetického toku a elektrického pole. Procento objemu každé tkáně, která je vystavena elektrické pole amplituda rovna nebo vyšší než 50% maximální amplitudy E v kůře pro každou cívku byla vypočtena kvantifikovat elektrické pole se šíří (V50). Výsledky ukazují, že pouze HDA cívky mohou šířit elektrické pole hipokampu, nucleus accumbens, a mozeček s V50 rovné 0,04%, 1.21% a o 6,2%, respektive.

1. Úvod

Transkraniální magnetické stimulace (TMS) je neinvazivní a bezbolestná metoda pro aktivaci neuronů v mozku a může být použita jako sonda pro vyšší mozkové funkce a intervence u neurologických a psychiatrických poruch . Několik cívek byly navrženy tak, aby stimulovat různé oblasti mozku pro různé procedury (deprese a Parkinsonovy nemoci), ale, vzhledem k elektrického pole rychlého útlumu hluboko v mozku, TMS byla omezena na povrchové kortikální cíle, kolem 2-3 cm do hloubky . Nedávné studie však ukazují , že léčba depresí může také zvážit nevhodné oblasti mozku o hloubce 3-5 cm, stejně jako hlubší oblasti hloubky 6-8 cm .

Pomocí tradiční TMS, s kruhovými, nebo číslo osm (Fo8) cívky, regiony hluboké mozek nemůže být dosaženo, protože elektrické pole se snížila rychle jako funkce hloubky tkáně pro tento typ cívky . Pro stimulaci hlubších neuronálních oblastí byly tedy zapotřebí mnohem vyšší stimulační amplitudy. Takové vysoké intenzity u zdrojů však mohou vyvolat mnoho bezpečnostních obav a mohou způsobit lokální nepohodlí v důsledku přímé aktivace nervů a svalů v pokožce hlavy . K obcházení těchto omezení byly vyvinuty návrhy cívek Vhodné pro hluboké TMS, jako je cívka s dvojitým kuželem , Halo cívka a H-cívka. Cívka s dvojitým kuželem poskytuje hlubší penetraci pole a byla použita k zacílení přední cingulární kůry transsynaptickou aktivací . Halo cívka byla navržena tak, aby zvýšila magnetické pole v hloubce v mozku při použití společně se stávajícími Fo8 a kruhovými cívkami obvykle používanými pro TMS . Konstrukce cívky bude kombinací dvou cívek TMS, které se většinou používají ke zvýšení hlubokého pronikání elektrického pole: cívka s dvojitým kuželem a cívka Halo. Umístění aktivace v mozku souvisí s oblastí, kde je indukované elektrické pole Maximální. Tato umístění zase závisí na umístění a geometrii cívek a na modelu hlavy pro simulační studie . Navzdory svému významu a rostoucímu klinickému využití cívek TMS není znalost prostorového rozložení indukovaného elektrického pole dosud komplexně zkoumána . Jiná práce zkoumala indukované elektrické pole prostorového rozložení pomocí experimentálních dat nebo numerických simulací metody založené na zjednodušené modely hlavy jako koule (tj., ) nebo lidskou hlavou modely s velmi málo tkáně (tj. ). Nedávno, Deng a kol. publikována komplexní studie využívající sférický model lidské hlavy ke kvantifikaci ohniska elektrického pole a hloubky pronikání různých cívek TMS. Vzhledem k zřejmému a významnému rozdílu mezi geometrií lidského mozku a sférickou formou se však indukované rozložení elektrického pole bude u obou modelů lišit. Je dobře známo, že struktura mozku, rozlišení a počet tkání mohou ovlivnit distribuci elektrického pole a maximální elektrické pole v mozku, což může mít za následek nesprávnou identifikaci stimulačních míst (tj. V realistické geometrii hlavy a protože povrch hlavy je nejednotný a s proměnlivým zakřivením, bude výsledné rozložení elektrického pole mnohem citlivější na orientaci a polohu cívky . Guadagnin a kol. nedávno publikoval rozsáhlou studii poskytující charakteristika vyvolané E distribucí v mozku a realistický model lidské (Ella V1.3 z Virtuální obyvatelstvo, které obsahují skládá ze 76 různých tkání v celém těle), vzhledem k různé cívky konfigurace. Nedávno, nový multimodální anatomický model lidského krku a hlavy byl vyvinut Iacono et al. . Nové vysoké rozlišení modelu (až 500 µm) obsahuje 153 struktur v oblasti hlavy a krku a nabízí podrobnou charakteristiku hluboké mozkové tkáně s atlasem-na základě segmentace, která umožňuje MIDA model mezi nejmodernější image-based modely anatomické modely ve stavu umění.

cílem této práce je použití numerických modelů pro návrh a zkoumání kombinované konstrukce hlubokých cívek TMS pomocí dvojitých kuželových a Halo cívek. Výzkum vlivu mozkového modelu na indukované elektrické pole byl proveden pomocí modelu MIDA. Novinkou tohoto dokumentu je následující:(i)Model kombinovaný hluboký TMS cívka skládající se z Halo a dvojité kuželové cívky k dosažení hlubokých mozkových struktur (hipokampu, nucleus accumbens, a mozeček) a charakterizace indukované elektrické pole v mozku tím, kombinované cívky.(ii) charakterizace indukovaných elektrických polí pomocí MIDA: mezi nejpodrobnější nejmodernější anatomické modely založené na obrazu včetně validace simulací s experimentálními výsledky.

2. Materiály a metody

2.1. Simulační platforma

cívky TMS a model lidské hlavy byly modelovány komerčním softwarovým balíčkem Sim4Life . Jedná se o simulační platformu, která kombinuje vyčíslitelné lidské fantomy s fyzikálními řešiteli a tkáňovými modely. Sim4Life poskytuje moderní a uživatelsky přívětivé a obsahuje state-of-the-art zdroje, které umožňují rychlé a snadné zkušenosti při nastavování modelových geometrií. Hustota magnetického toku a elektrického pole v lidské hlavě byly analyzovány s Sim4Life magneto quasistatic řešitel, umožňující efektivní modelování quasistatic EM režimy za použití metody konečných prvků na tříděné voxel ok. Numerické simulace jsou založeny na nízkofrekvenční teorii EM implementované v Sim4Life. Pro elektrické pole E a magnetické pole B, za předpokladu, že vektorový potenciál A a skalární elektrický potenciál , skalární potenciál rovnice se odkazuje na komplexní permitivita definována jako , je elektrická vodivost, elektrické permitivity, a je úhlová frekvence. Pro charakteristickou délku a hodnota propustnosti , quasistatic sbližování podmínka zajišťuje, že ohmický proud pouze nepatrně rozruší B-pole a vektorový potenciál A je ekvivalentní k magneto-static vektorový potenciál . Statický vektorový potenciál pak lze vypočítat Biotovým-Savartovým zákonem (když je konstantní v celé výpočetní doméně). Protože většina biologických materiálů vykazují dielektrické vlastnosti, které se poslouchají v nízké frekvenci, (1) lze zjednodušit do Rovnice (2) je realizován v magneto quasistatic řešitel. Všechny okrajové podmínky jsou opomíjeny jako nulové Neumannovy hraniční podmínky, tj. mizející normální tok. Tento model používá řešitel s reálnou hodnotou. Elektrické pole se počítá pouze ve ztrátové () doméně, zatímco H-pole se počítá všude. Proto výchozí mřížka pokrývá pouze ztrátovou doménu.

2.2. Numerické modely cívek

nové cívky deep TMS byly nedávno navrženy pomocí kombinovaných cívek. Například Lu a Ueno navrhli kombinovanou cívku sestávající z FO8 a Halo cívek pro dosažení hlubokých mozkových struktur. Od double-kužel cívka je považován za hluboké TMS , cívky design je kombinace Halo cívka s double-cone coil poskytují hlubší pronikání elektrického pole uvnitř mozkových struktur. Obrázek 1 ukazuje model hlavy dospělého muže (MIDA) s cívkou Halo (Obrázek 1 (a)), cívkou s dvojitým kuželem (Obrázek 1 (b)), kombinovanou cívkou Halo a Fo8 (HFA) (Obrázek 1 (c)) a cívkou HDA (Obrázek 1 (d)). Za účelem porovnání kombinované cívky výkony s předchozí zveřejněné TMS cívky, jsme vzoru double-kužel cívka s dvěma sousedními kruhové vinutí stanovena na 120° úhel 10 kol s vnitřním a vnějším průměru 15 mm a 40 mm, respektive, a Halo cívka s 5 kruhové vinutí 150 mm a 138 mm, resp. Cívka Fo8 je umístěna 10 mm nad povrchem kůže hlavy, aby se zohlednila tloušťka izolace cívky a Halo cívka 97 mm pod vrcholem hlavy . Simulace byly prováděny pomocí pulzních proudů o frekvenci 2,5 kHz, založených na dvoufázové pulzní frekvenci používané komerčními systémy TMS. Předpokládali jsme 100 % výkon stimulátoru odpovídající elektrickému proudu 5 kA v cívkách . Proud protékající v sousedních dvou křídlech Fo8 a dvojitých kuželových cívek je v opačných směrech. K posouzení elektrického pole distribuce a šíření v různých mozkových tkání (šedá hmota, bílá hmota, thalamus, hypothalamus, hippocampus, amygdala, nucleus accumbens, a mozeček), procento z objemu každé tkáně vystaveny elektrického pole amplituda rovna nebo větší než polovina maximální amplitudy elektrického pole v kůře pro každou cívku byla vypočtena (V50 používá v ). Maximální distribuce amplitudy odpovídá 99. percentilu namísto maxima, aby se zohlednily možné výpočetní nepřesnosti .

()

(b)

(c)

(d)

(a)
(b)
(c)
(d)

Obrázek 1

Přehled magnetických cívek a MIDA model hlavy. (a) Halo cívka. b) cívka s dvojitým kuželem. c) cívka HFA. d) cívka HDA.

2.3. Anatomický Model a tkáňové dielektrické vlastnosti

model lidské hlavy MIDA byl použit ke zkoumání interakce magnetického pole cívek s mozkovou tkání (Obrázek 2).

()

(b)

(c)

(d)

(v)

(f)

(cs)

(h)

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)

Obrázek 2

MIDA model hlavy: model několika reprezentativních struktur hlavy a krku. (kůže. (b) svaly, svaly jsou zobrazeny se strukturami lebky. c, d) plavidla, plavidla jsou znázorněna jak bez GM, tak s GM. e) GM. f) HM. g) mozeček a mozkový kmen. h) Komory, hipokampus, hypotalamus a amygdala .

MIDA patří mezi nejpokročilejší multimodální zobrazovací anatomické modely lidského krku a hlavy. Anatomický model je dodáván s jedinečným vysokým rozlišením 153 struktur, včetně několika odlišných hluboké struktury mozku, lebky vrstvy a kosti a nervy, stejně jako žíly a tepny , který je vysoce relevantní v naší studii odlišit jiné hluboké mozkové struktury a indukované elektrické pole v těchto mozkových tkání. Dielektrické parametry tkání jsou stanoveny na základě databáze založené na Gabriel et al. .

2.4. Ověření: Simulace versus Experimenty

ověřit simulační software, jsme v porovnání numerické simulace magnetických polí komerční cívky běžně používané při provádění TMS s měřením . Uvažovali jsme o dvojité 70 mm Magstim 2. generace s dálkovým ovládáním . Tato cívka se skládá z 9 vinutí (vnitřní a vnější průměr 32 mm a 48 mm). Uvažovali jsme o oddělení 1 mm mezi vinutími, abychom vzali v úvahu vzduchovou mezeru a izolaci. Obrázek 3 ukazuje axiální složku simulovaného a měřeného magnetického pole (kA/m) ve vzdálenosti 20 mm, podél délky cívky TMS. Výpočty ukazují dobrou shodu s měřeným polem. Byla získána relativní odchylka 0,12% -10,75%. Pozorujeme vyšší odchylky ve středu a hranách, které jsou způsobeny drobnými zjednodušeními při modelování cívek TMS.

Obrázek 3

Axiální složka simulovaného a měřeného magnetického pole (kA/m) ve vzdálenosti 20 mm, po délce TMS cívky (Magstim 2. Generace Double 70 mm dálkové ovládání).

3. Výsledky a diskuse

3.1. B-Rozložení Pole

Obrázek 4 ukazuje, hustota magnetického toku na povrchu šedá hmota (GM) MIDA model hlavy pro Halo (a), double-kužel (b), HFA (c), a HDA (d) cívky pro stejné oddělení 10 mm a rovné proud aplikovaný na dvě cívky. Bylo pozorováno, že maximální magnetický tok se vyskytoval v blízkosti cívek a rychle se rozkládal se vzdáleností od cívek pro všechny konfigurace. Vyšší hodnoty B-pole v mozku byly přítomny na pravé straně, když byly aplikovány hda a HFA cívka (obrázky 4(c) a 4 (d)). Srovnání double-kužel (Obrázek 4(b)) a na HDA (Obrázek 4(d)) konfigurace ukazuje, že přidání Halo cívka vyústil v B-pole pokles v levé hemisféře ve prospěch pravé hemisféry. To je způsobeno tím, že kombinace Halo cívka s dvojitým kuželem nebo Fo8 cívek výsledky na jedné straně (pravá strana), hlavu vystaveni pozitivní proud ze dvou cívek, a na druhé straně (levá strana) na pozitivní a negativní proud z cívky. Tento efekt bude mít za následek zvýšenou penetraci pole v pravé hemisféře, když HFA a hda cívka pracují. Tento asymetrický efekt může být také na vině ve prospěch levé hemisféry, když jsme inverzní aktuální směr v double-cone nebo Fo8 cívky.

()

(b)

(c)

(d)

(a)
(b)
(c)
(d)

Obrázek 4

hustota Magnetického toku (absolutní hodnota v T) vypočtený v šedé hmotě MIDA modelu pro různé cívky. (a) Halo cívka. b) cívka s dvojitým kuželem. c) cívka HFA. d) cívka HDA.

3.2. Distribuce elektrického pole

obrázek 5 ukazuje prostorové rozložení elektrického pole na mozkové šedé hmotě a bílé hmotě pro každou cívku TMS. Pro Halo cívku bylo elektrické pole produkováno hlavně na obvodu GM(obrázek 5 (A)) a WM (obrázek 5(b)) kvůli blízkosti této oblasti k Halo cívce. Obrázek 5(a) GM ukazuje mírně vyšší E-amplitudy než na Obrázku 5(b) z WM, což může mít za následek větší objem tkáně vystaveny vyšší amplitudy elektrického pole. Vyšší hodnoty elektrického pole jsou mnohem více koncentrované v GM a WM pro double-cone coil ve srovnání s Halo cívka (Čísla 5(c) a 5(d)), které může mít za následek nízké penetrační hloubky elektrického pole, a tudíž nižší expozici hluboké mozkové tkáně dostatečný E-amplitudy. Při použití cívky HFA byla indukovaná elektrická pole zvýšena nad GM a WM povrchy hlavně nad pravou hemisférou (Obrázky 5 (e) a 5 (f)). Čísla jsou uvedena v tabulce 1 v další části. Výsledky pro tento typ cívek jsou v souladu s výsledky publikovanými Lu a Ueno pomocí metody impedance . S aplikací HDA cívky (Obr. 5(g) a 5(h)), elektrické pole distribucí byly zvýšeny nad pravou hemisféru a snížil na levé straně ve srovnání s HFA cívky, což naznačuje, že hloubka průniku může být dále zlepšena v pravé hemisféře mozkové tkáně, které jsou také uvedeny v Tabulce 1 (další oddíl). Elektrické pole byla dále zvýšena v pravém okraji GW a WM pro HFA a HDA cívky ve srovnání s Halo coil konfiguraci, která může vyústit v další hloubka průniku do hlubokých struktur pravé hemisféry. Elektrické pole bylo sníženo v levém obvodu GW a WM ve srovnání s konfigurací Halo cívky, což může mít za následek nižší hloubku průniku v hlubokých strukturách levé hemisféry. Jak si všimli B-rozložení pole, elektrické pole není symetrické pro HFA a HDA cívky, protože asymetrické rozložení magnetického toku.

()

(b)

(c)

(d)

(v)

(f)

(cs)

(h)

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)

Obrázek 5

elektrické pole (absolutní hodnota V/m) distribuce v GM (levý sloupec) a WM (pravý sloupec) pro různé cívky. (a, b) Halo cívka. (c, d) cívka s dvojitým kuželem. (e, f) HFA cívka. (g, h) hda cívka.

obrázek 6 znázorňuje rozložení elektrického pole na průřezu pomocí kombinované cívky HDA. Koronální části (viz Obrázek 6(b)) ukazuje vyšší elektrické pole v pravé hemisféře ve srovnání s tím, v levé hemisféry pro asymetrické cívky HDA, který byl čekal, že z elektrického a indukce distribuci v mozku. Vyšší elektrická pole jsou také přítomna v některých hlubokých strukturách uvnitř mozku (ve středu obrázku 6 (b)). Další část poskytne kvantitativnější hodnocení elektrického pole rozšířeného do hlubokých mozkových struktur.

()

(b)

(a)
(b)

Obrázek 6

Elektrické pole distribuci (absolutní hodnota ve v/m) v průřezu MIDA model pomocí HDA cívky. Sagitální pohled na x=20 cm. b) koronální pohled na y=20 cm.

3.3. Elektrické Pole se Šíří do Hlubokých Mozkových Struktur

kvantifikovat elektrického pole, šíření a pronikání, Tabulka 1 ukazuje procento z objemu každé tkáně, kde elektrické pole je amplituda větší než polovina maximální E v kůře pro každou cívku (V50). Vzhledem k tomu, že různé oblasti distribuce se vyskytují v pravé a levé hemisféry mozku, tkání, procento z objemu každého mozkové tkáně byla vypočtena pro obě strany mozku na HFA a HDA cívky (dvojité kužele a Halo cívky jsou symetrické cívky). HFA_R a HDA_R se vztahují k procentu objemu každé mozkové tkáně na pravé straně pomocí cívek HFA a HDA. Hfa_l a HDA_L se vztahují k procentu objemu každé mozkové tkáně na levé straně pomocí cívek HFA a HDA. Výsledky ukazují, že V50 v pravé hemisféře je větší než jedna v levé hemisféry pro asymetrické cívky, který byl čekal, že z elektrického a indukce distribuci v mozku (obrázky 4 a 5). Tento efekt je výraznější pro hlubší struktury, jako hipokampus a nucleus accumbens, kde V50 je 0.04% a 1,21% na pravé straně hipokampus a nucleus accumbens, respektive, zatímco tento podíl je roven nule v levé straně (pro HDA cívky). Srovnání mezi HDA a HFA cívky ukazuje, že větší procento pravé straně hlubokých struktur (hipokampu, nucleus accumbens, a mozeček), může být dosaženo s HDA ve srovnání s HFA (V50 rovná 6.2% a 3,24%, na pravé straně mozečku při použití HDA a HFA cívky, resp. Hippocampus a nucleus accumbens lze dosáhnout pouze při použití cívky HDA s V50 rovným 0, 04% a 1, 21% pro hippocampus a nucleus accumbens). Tato výhoda cívky HDA (V50 HDA_L: 21,77%, 20,18% a 1.94% pro GM, WM a cerebellum) přes HFA cívku (V50 HFA_L: 21,54%, 20,44% a 1,85% pro GM, WM a cerebellum) je méně důležitý na levé straně mozkových tkání. Halo cívka je cílení hlubší struktury v mozku (V50 rovná 2.12% pro mozeček s Halo cívka) i bez použití kombinované cívky a šíření vysoké amplitudy elektrického pole (V50 Halo: 23.96%, 22.13%, a 2.12% pro GM, WM, a mozečku, v tomto pořadí) větší než HDA a HFA cívky v levé části mozkové tkáně. Dvojitý kužel (V50 DC: 26,69% a 24.27%, pro GM a WM, v uvedeném pořadí) a Halo cívky poskytují větší rozložení polí v levé straně WM a GM než cívky HDA a HFA v důsledku asymetrického rozložení magnetického toku. Thalamus, hypotalamus a amygdala mají 0% V50 pro každou konfiguraci cívky. Šedé a bílé hmoty lze dosáhnout všemi cívkami s V50>0. Opět byly získány nejvyšší hodnoty pro cívky HFA a HDA.

pro účely hlubokých TMS by měla být dobrá cívka charakterizována vysokou hloubkou průniku a vysokou ohnivostí(tj. Z Tabulky 1, můžeme vidět, že double-cone coil poskytuje lepší focality v šedé a bílé hmoty ve srovnání s HDA cívky v pravé hemisféře (V50 rovná 26.7 a 33,8 pro DC a HDA, respektive), ale jako úkor menší hloubka průniku. Ve skutečnosti, DC cívka je schopen dosáhnout hlubší struktury, jako je hipokampus a nucleus accumbens, kde V50 z HDA cívky je rovna 0.04% a 1,21% na pravé straně hipokampus a nucleus accumbens, resp. Tento kompromis zaměřený na hloubku je vlastní většině cívek TMS. Cívky, které se vyznačují vyšší hloubkou pronikání (HDA a HFA), by mohly současně vyvolat vysokou amplitudu pole ve velmi široké oblasti kůry(Tabulka 1). Na druhé straně cívky s více ohniskovou distribucí amplitudy elektrického pole (DC a Halo) nejsou schopny dosáhnout hlubokých mozkových struktur(Tabulka 1). Žádná z navržených cívek není schopna překonat tento kompromis, jak naznačuje i předchozí práce, protože dosažení hlubších mozkových struktur znamená širší šíření elektrického pole na kortikálním povrchu.

4. Závěr

cívka s dvojitým kuželem kombinovaná s cívkou Halo byla numericky zkoumána a charakterizována pro hlubokou stimulaci mozku pomocí anatomicky realistických heterogenních modelů hlavy. 3D distribuce B-pole a elektrického pole byla získána pro Halo, dvojitý kužel, HFA a hda cívky. Šíření elektrického pole byl vypočítán a v porovnání pro různé mozkové tkáně včetně hluboké mozkové tkáně (thalamu, hypotalamu, amygdaly, hipokampu, nucleus accumbens, a mozeček) pomocí Halo, dvojité kužel, HDA, a HFA cívky a ukázal, že asymetrické magnetické pole distribuci vyrobené HDA cívky lepší šíření elektrického pole uvnitř hlubokých mozkových struktur (hipokampu, nucleus accumbens, a mozečku) a tím umožňuje stimulaci mozku, ve větších hloubkách. Omezení aktuální verze numerického modelu by měla zahrnovat nepřítomnosti vhodné začlenění anizotropie tkáně zejména v bílé hmotě, což by zvýšilo přesnost modelu a může mít vliv na elektrické pole rozložení . V budoucnu by měla být také provedena citlivost polohy cívek, aby se charakterizoval její účinek indukovaných polí.

Dostupnost Dat

údaje použity na podporu závěrů této studie jsou k dispozici od příslušného autora na požádání.

střet zájmů

autoři prohlašují, že nemají žádný střet zájmů.

poděkování

výzkum byl podpořen COST Action BM1309 (COST EMF-MED) a Projektem FWO G003415N. E. Tanghe je postdoktorandem výzkumné nadace-Flanders (FWO-V).