概要
経頭蓋磁気刺激（TMS）による深部脳構造の刺激は、脳内の深部ニュー より深い脳刺激（海馬，側坐核，小脳に到達する電場）の可能性を数値的に調べるために，ダブルコーンコイルとハローコイル（ＨＤＡ）を用いたｔｍｓコイルを組み合わせたモデル化し，調べた。 数値シミュレーションは、MIDAを使用して行われた：人間の頭と首の新しいマルチモーダルイメージングベースの詳細な解剖学的モデル。 磁束密度と電場の3次元分布を計算した。 各コイルの皮質におけるＥの最大振幅の５ ０％以上の電界振幅に曝される各組織の体積の割合を計算して、電界の広がり（Ｖ５ ０）を定量化した。 結果は、HDAコイルのみが、それぞれ0.04％、1.21％、および6.2％に等しいV50で海馬、側坐核、および小脳に電界を広げることができることを示しています。
1. はじめに
経頭蓋磁気刺激（TMS）は、脳内のニューロンを活性化するための非侵襲的かつ無痛な方法であり、高次脳機能のプローブおよび神経学的および精神 複数のコイルは異なった処置（不況およびパーキンソン病）のための異なった頭脳の領域を刺激するように設計されていたが、頭脳の深い電界の急速な減 但し、最近の調査は不況のための処置がまた3-5cmの深さのnonsuperficial頭脳区域、また6-8cmの深さのより深い領域を考慮できることを示します。
従来のTMSを使用すると、このタイプのコイルの組織深さの関数として電界が急速に減少するため、円形または8つの（Fo8）コイルの図では、脳深部の領域に到達することができません。 したがって、より深い神経領域を刺激するためには、はるかに高い刺激振幅が必要であった。 しかしながら、このような高強度の源は、多くの安全上の懸念を提起する可能性があり、頭皮内の神経および筋肉の直接活性化のために局所的な不快感を引き起こす可能性がある。 二重円錐形のコイル、ハローのコイルおよびHコイルのような深いTMSのために、適したコイルの設計はこれらの限定を避けるために開発されました。 二重円錐形のコイルはより深い分野の浸透を提供し、transsynaptic活発化を前方のcingulateの皮質を目標とするのに使用されていました。 ハローのコイルは普通TMSに使用する既存のFo8および円のコイルとともに使用されたとき頭脳の深さで磁界を高めるように設計されていた。 コイルの設計は電界の深い浸透を高めるのに大抵使用される2つのTMSのコイルの組合せです:二重円錐形のコイルおよびハローのコイル。 脳内の活性化の位置は、誘導された電場が最大である領域に関連している。 これらの位置は、コイルの配置と形状、およびシミュレーション研究のためのヘッドモデルに依存します。 その重要性とTMSコイルの臨床使用の増加にもかかわらず、誘導電界の空間分布の知識はまだ包括的に調査されていません。 異なる研究は、実験データまたは球（すなわち）または非常に少数の組織を持つ人間の頭部モデル（すなわち）のような単純化された頭部モデルを用いた数値 最近、Ｄｅｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ． 様々なTMSコイルの電界焦点と浸透深さを定量化するために、球状の人間の頭部モデルを用いた包括的な研究を発表しました。 しかし，人間の脳の形状と球形の間の明らかで有意な違いを考慮すると，誘導電界分布は二つのモデルで異なることになる。 脳の構造、分解能、組織の数が脳内の電場の分布と最大電場に影響を与え、刺激位置を誤って特定する可能性があることはよく理解されている（すなわち、電場の差が若年者と成人の頭部モデルの間で100V/mを超える可能性があることを示した）。 現実的なヘッド形状では、ヘッド表面が不均一で曲率が可変であるため、結果として生じる電界分布はコイルの向きと位置にはるかに敏感になります。 Guadagnin et al. 最近、様々なコイル構成のために現実的な人間モデル（Ella V1.3を含む仮想集団から76の異なる組織で構成されています）の脳内の誘導されたE分布の特 最近，ヒトの首と頭部の新しい多峰性解剖学的モデルがＩａｃｏｎｏらによって開発された。 . 新しい高解像度モデル（最大500μ m）は、頭と首に153の構造が含まれており、アトラスベースのセグメンテーションで深部脳組織の詳細な特性を提供し、MIDAモデ
この研究の目的は、数値モデルを使用して、ダブルコーンとハローコイルを使用した深いTMSコイルの組み合わせ設計を設計および調査することです。 Ｍｉｄａモデルを用いて誘導電場に及ぼす脳モデルの影響を調べた。 ハローとダブルコーンコイルからなる複合深部ＴＭＳコイルをモデル化し，脳深部構造（海馬，側坐核，小脳）に到達させ，複合コイルによる脳内誘導電場の特性評価を行った。(ii)MIDAを用いた誘導電界の特性評価：実験結果とシミュレーションの検証を含む最も詳細な最新の画像ベースの解剖学的モデルの中で。
2. 材料および方法
2.1. シミュレーションプラットフォーム
TMSコイルと人間の頭部モデルは、市販のソフトウェアパッケージSim4Lifeでモデル化されました。 これは、計算可能な人間のファントムと物理ソルバーと組織モデルを組み合わせたシミュレーショ Sim4lifeは現代およびユーザーフレンドリーを提供し、モデル幾何学をセットアップするとき速く、容易な経験を可能にするために最新式資源を含んでいる。 人間の頭部の磁束密度と電場をSim4Life magneto quasistatic solverで解析し、傾斜ボクセルメッシュに有限要素法を適用することにより、準静的EMレジームの効率的なモデ 数値シミュレーションは、Sim4Lifeで実装されたEM低周波理論に基づいています。 電場Eと磁場Bに対して、ベクトルポテンシャルAとスカラーポテンシャルを仮定すると、スカラーポテンシャル方程式は、次のように定義される複素誘電率を指し、は電気伝導率、は電気誘電率、は角周波数である。 特性長さと透磁率の値に対して，準静的近似条件は，オーミック電流がｂ磁場を無視できるだけ摂動させ，ベクトルポテンシャルＡが磁気静的ベクトルポテンシャルと等価であることを保証する。 次に、静的ベクトルポテンシャルは、Ｂｉｏｔ−Ｓａｖａｒｔの法則（計算領域全体にわたって一定である場合）によって計算することができる。 ほとんどの生物学的材料は低周波で従う誘電特性を示すので、（1）は磁気準静的ソルバーで実装されている式（2）に単純化することができます。 すべての境界条件はゼロＮｅｕｍａｎｎ境界条件として無視され，すなわち垂直フラックスの消失である。 このモデルでは、実数値ソルバーが使用されます。 電場はlossy()領域でのみ計算されますが、Hフィールドはどこでも計算されます。 したがって、既定のグリッドは非可逆領域のみをカバーします。
2.2. 数値コイルモデル
新しい深いTMSコイルは結合されたコイルを使用して最近設計されていました。 例えば、LuとUenoは、深い脳構造に到達するためにFo8とHaloコイルからなる複合コイルを設計しました。 二重円錐形のコイルが深いTMSのためにより考慮されるので、コイルの設計は頭脳の構造の中の電界のより深い浸透を提供する二重円錐形のコイ 図1は、ハローコイル（図1（a））、ダブルコーンコイル（図1（b））、ハローとFo8コイル（HFA）の組み合わせ（図1（c））、およびHDAコイル（図1（d））を備えた成人男性（MIDA）ヘッドモデルを示 結合されたコイルの性能を前の出版されたTMSのコイルと比較するためには、私達は120°の角度で固定される2つの隣接した円の巻上げが付いている二重円錐形のコイルをそれぞれ15のmmおよび40のmmの内部および外の直径との10回転、および5つの円の巻上げが付いているハローのコイルをそれぞれ150のmmおよび138のmm、モデル化した。 Fo8コイルは頭部の皮の表面の上の10のmmコイルの絶縁材の厚さおよびハローのコイルを考慮に入れるために頭部の頂点の下の97のmmあります。 シミュレーションは、市販のTMSシステムで使用される二相パルス周波数に基づいて、2.5kHzの周波数のパルス電流を使用して実行されました。 コイルの100%の刺激装置の出力を5kAの電流に相当すると仮定しました。 Fo8および二重円錐形のコイルの隣接する二つの翼で流れる流れは反対の方向にあります。 異なる脳組織（灰白質、白質、視床、視床下部、海馬、扁桃体、側坐核、および小脳）における電界分布および広がりを評価するために、各コイルの皮質における電界の最大振幅の半分以上の電界振幅に曝された各組織の体積の割合を計算した（v50で使用）。 振幅分布の最大値は、計算上の不正確さの可能性を考慮するために、最大値ではなく、その99パーセンタイルに対応します。
(a)
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2.3. 解剖学的モデルと組織の誘電特性
ミダ人間の頭部モデルを用いて、コイルの脳組織との磁場相互作用を調べました（図2）。
(a)
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(中))
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(a)
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(d)
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(f)(g)
(g)(h)
(h)
MIDAは人間の首および頭部の最先端のmultimodalイメージ投射ベースの解剖モデル間にある。 解剖学的モデルは、いくつかの異なる深い脳構造、頭蓋骨の層と骨、神経だけでなく、静脈や動脈を含むユニークな高解像度の153構造が付属しています。 組織の誘電パラメータは、Gabriel et al.に基づくデータベースに基づいて設定されています。 .
2.4. 検証: シミュレーションと実験
シミュレーションソフトウェアを検証するために、TMSの実装で一般的に使用される市販のコイルの磁場の数値シミュレーションとからの測定を比較しました。 私達はリモート-コントロールとの二重70のmm Magstimの第2生成を考慮した。 このコイルは9つの巻上げ（32のmmおよび48のmmの内部および外の直径、それぞれ）で構成される。 エアギャップと絶縁を考慮するために、巻線間に1mmの分離を検討しました。 図3は、tmsコイルの長さに沿って20mmの距離でシミュレートされ、測定された磁場（kA/m）の軸方向成分を示しています。 計算は測定場と良く一致した。 0.12%-10.75%の相対偏差が得られた。 ＴＭＳコイルのモデリングにおけるわずかな単純化による中心とエッジでのより高い偏差を観察した。
3. 結果と議論
3.1. B磁場分布
図4は、ハロー(a)、ダブルコーン(b)、HFA(c)、およびHDA(d)コイルの灰白質(GM)表面の磁束密度を10mmの等しい分離と2つのコイルに印加される等しい電流のために示しています。 最大磁束はコイルの近くで起こり，すべての構成に対してコイルからの距離とともに急速に減衰することが観察された。 Ｈ Ｄ ＡおよびＨ ＦＡコイルが適用されたとき、脳内のＢフィールドのより高い値が右側に存在した（図４（ｃ）および４（ｄ））。 ダブルコーン(図4(b))とHDA(図4(d))の構成を比較すると、ハローコイルを追加すると、左半球のB磁場が減少し、右半球に有利になることがわかります。 これは、ハローコイルをダブルコーンまたはFo8コイルと組み合わせると、ヘッドの片側（右側）が二つのコイルからの正の電流にさらされ、反対側（左側）がコ この効果は右半球の高められた分野の浸透でHFAおよびHDAのコイルが作動するとき起因する。 この非対称効果は、ダブルコーンまたはFo8コイルの電流方向を逆にすると、左半球に有利に三角化することもできます。
(a)
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(A)
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3.2. 電界分布
図5は、tmsコイルごとの脳灰白質と白質の電界空間分布を示しています。 ハローコイルの場合、この領域がハローコイルに近接しているため、主にGM（図5（a））とWM（図5（b））の周囲に電界が発生しました。 GMの図5(a)は、WMの図5(b)よりもわずかに高いe振幅を示し、これは電界のより高い振幅に曝される組織のより大きな体積をもたらす可能性がある。 電界の高い値は、ハローコイル（図5（c）と5（d））と比較して、ダブルコーンコイルのGMとWMに集中しており、電界の浸透深さが低く、十分なE振幅への深部脳組織の露出が少なくなる可能性がある。 HFAコイルを使用すると、誘導電界は主に右半球上のGMおよびWM表面上で増加した（図5（e）および5（f））。 番号は、次のセクションの表1に記載されています。 このタイプのコイルの結果は，インピーダンス法を用いてＬ ｕとＵｅｎｏが発表した結果と一致した。 HDAコイル（図5（g）と5（h））の適用により、hfaコイルに比べて右半球上で電界分布が増加し、左側で減少し、脳組織の右半球で浸透深さがさらに改善されることを示唆している（表1（次のセクション））。 ＨｆａコイルおよびＨＤＡコイルのｇｗおよびｗｍの右周囲では，ハローコイル構成に比べて電場がさらに増加し，右半球の深い構造でさらに浸透深さをもたらす可能性がある。 ハローコイル配置に比べてＧ ＷおよびＷＭの左周辺では電場が減少し，左半球の深い構造では浸透深さが低くなる可能性があった。 Ｂ磁場分布で注目されているように，磁束の非対称分布のために，ｈｆａコイルとＨＤＡコイルでは電場は対称ではない。
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(ｉ）ＨＦＡ＿ＲおよびＨＤＡ＿Ｒは、それぞれ、ＨＦＡコイルおよびＨＤＡコイルを使用した右側の各脳組織の体積の割合を指す。 （ｉ ｉ）ＨＦＡ＿ＬおよびＨＤＡ＿Ｌは、それぞれ、ＨＦＡコイルおよびＨＤＡコイルを用いた左側の各脳組織の体積の割合を指す。 （iii）DCは二重円錐形のコイルを示します。 （ｉ ｖ）視床、視床下部、および扁桃体は、組織体積の０％を有し、ここで、ｅの振幅は、各コイル構成について、皮質におけるｅのピークの５ ０％を有する。
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(a)
(b)
(c))
(d)
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(中))
(f))
(a)
(b)
(c)(d)
(d)
(e)
(f)(g)
(g)(h)
(h)
図6は、結合されたHDAコイルを用いた断面上の電界分布を示しています。 コロナセクション(図6(b))は、非対称コイルHDAの左半球のものと比較して右半球の高い電界を示しており、これは脳内の電気と磁束密度分布から期待されていました。 より高い電場は、脳内のいくつかの深い構造（図6（b）の中心）にも存在する。 次のセクションでは、深い脳構造に広がる電界のより定量的な評価を提供します。
（a)
(b))
(a)
(b))
3.3. 深部脳構造への電界の広がり
電界の広がりと浸透を定量化するために、表1は、各コイル（V50）の皮質における電界振幅がeのピークの半分よりも大き 脳組織の右半球と左半球で異なる場分布が起こるという事実のために、HFAおよびHDAコイル（二重円錐およびハローコイルは対称コイルである）の脳の両 ＨＦＡ＿ＲおよびＨＤＡ＿Ｒは、それぞれ、ＨＦＡコイルおよびＨＤＡコイルを使用した右側の各脳組織の体積の割合を指す。 ＨＦＡ＿ＬおよびＨＤＡ＿Ｌは、それぞれ、ＨＦＡコイルおよびＨＤＡコイルを使用した左側の各脳組織の体積の割合を指す。 その結果、右半球のV50は、脳内の電気および磁束密度分布から予想される非対称コイルの左半球のV50よりも大きいことが示されました（図4および5）。 この効果は、海馬および側坐核のようなより深い構造に対してより顕著であり、V50は海馬および側坐核の右側でそれぞれ0.04％および1.21％であるが、このパーセンテージは左側でゼロに等しい（HDAコイルの場合）。 HDAとHFAコイルの比較は、HFAと比較してHDAで深い構造（海馬、側坐核、小脳）の右側のより大きな割合に達することができることを示しています（v50はhdaとhfaコ 海馬および側坐核は、それぞれ、海馬および側坐核に対して0.04％および1.21％に等しいV50を有するHDAコイルを使用する場合にのみ到達することができ HDAコイルのこの利点（HDA_LのV50：21.77％、20.18％、および1。HFAコイル（HFA_LのV50：GM、WM、および小脳のそれぞれ21.54％、20.44％、および1.85％）を超える脳組織の左側ではそれほど重要ではない。 ハローコイルは、組み合わせコイルを使用しなくても脳のより深い構造（ハローコイルを持つ小脳ではV50が2.12％に相当）を標的とし、脳組織の左側のHDAおよびhfaコイルよりも大きな電界の高振幅（ハローのv50：GM、WM、小脳ではそれぞれ23.96％、22.13％、2.12％）を広げる。 二重円錐形（DCのV50:26.69%および24。それぞれGMおよびWMのための27%）およびハローコイルは磁束の非対称的な配分によるHDAおよびHFAのコイルよりWMおよびGMの左側の大きい分野の配分を提 視床、視床下部、および扁桃体は、コイル構成ごとに0％のV50を有する。 灰色および白質はV50>0のすべてのコイルによって達することができます。 再び、ＨＦＡおよびＨＤＡコイルについて最高値が得られた。
深いTMSの目的のために、よいコイルは高い浸透深さおよび高い焦点（すなわち、低いV50）によって特徴付けられるべきです。 表1から、ダブルコーンコイルは、右半球のHDAコイル（それぞれDCおよびHDAの26.7および33.8に等しいV50）と比較して、灰色および白質のより良い焦点を提 実際、DCコイルは海馬と側坐核のようなより深い構造に到達することができず、HDAコイルのV50は海馬と側坐核の右側でそれぞれ0.04％と1.21％に等しい。 この深さ-焦点性のトレードオフは、TMSコイルのほとんどに固有のものです。 より高い浸透深さ（Ｈ Ｄ ａおよびＨ Ｆ Ａ）を特徴とするコイルは、同時に、皮質の非常に広い領域において高い電界振幅を誘導することができる（表１）。 一方、より焦点の大きい電界振幅分布（DCおよびハロー）を有するコイルは、深い脳構造に到達することができない（表1）。 より深い脳構造に達することは皮質表面に広がるより広い電場を意味するので、以前の研究によっても示唆されているように、提案されたコイルのどれもこのトレードオフを克服することができない。
4. 結論
ハローコイルと組み合わせたダブルコーンコイルを数値的に調査し、解剖学的に現実的な異種ヘッドモデルを用いて深い脳刺激のために特 ハロー、ダブルコーン、HFA、およびHDAコイルのBフィールドと電界の3D分布が得られました。 ハロー，ダブルコーン，ＨＤＡ，ＨＦＡコイルを用いて，脳深部組織（視床，視床下部，扁桃体，海馬，側坐核，小脳）を含む異なる脳組織について電場の広がりを計算し，比較し，ＨＤＡコイルによって生成される非対称磁場分布が脳深部構造（海馬，側坐核，小脳）内の電場の広がりを改善し，より深い脳の刺激を可能にすることを示した。 数値モデルの現在のバージョンの制限は、モデルの精度を増加させ、電界分布に影響を与える可能性があり、特に白質における組織異方性の適切な取 コイルの位置の感度も誘導磁場の効果を特性化するために将来行われるべきである。
データの入手可能性
この研究の調査結果を支持するために使用されたデータは、要求に応じて対応する著者から入手可能です。
利益相反
著者らは、利益相反はないと宣言している。
謝辞
この研究は、コストアクションBM1309(COST EMF-MED)とFWO G003415Nプロジェクトによって支援されました。 E.Tangheは、研究財団-フランダース（FWO-V）のポスドク研究員です。