- rezumat
- 1. Introducere
- 2. Materiale și metode
- 2.1. Platforma de simulare
- 2.2. Modelele de bobine numerice
- 2.3. Modelul anatomic și proprietățile dielectrice ale țesuturilor
- 2.4. Validare: Simulare versus experimente
- 3. Rezultate și discuții
- 3.1. Distribuția câmpului B
- 3.2. Distribuția câmpului Electric
- 3.3. Câmpul electric răspândit în structurile creierului profund
- 4. Concluzie
- disponibilitatea datelor
- conflicte de interese
- mulțumiri
rezumat
stimularea structurilor cerebrale profunde prin stimulare magnetică transcraniană (TMS) este o metodă de activare a neuronilor adânci din creier și poate fi benefică pentru tratamentul tulburărilor psihiatrice și neurologice. Pentru a investiga numeric posibilitatea unei stimulări cerebrale mai profunde (câmpuri electrice care ajung la hipocampus, nucleul accumbens și cerebel), au fost modelate și investigate bobine TMS combinate folosind bobina cu con dublu cu bobina Halo (HDA). Simulările numerice au fost efectuate folosind MIDA: un nou model anatomic detaliat bazat pe imagistică multimodală a capului și gâtului uman. Au fost calculate distribuțiile 3D ale densității fluxului magnetic și ale câmpului electric. Procentul de volum al fiecărui țesut care este expus la amplitudinea câmpului electric egală sau mai mare de 50% din amplitudinea maximă a E în cortex pentru fiecare bobină a fost calculat pentru a cuantifica răspândirea câmpului electric (V50). Rezultatele arată că numai bobina HDA poate răspândi câmpuri electrice în hipocampus, nucleul accumbens și cerebelul cu V50 egal cu 0,04%, 1,21% și, respectiv, 6,2%.
1. Introducere
stimularea magnetică transcraniană (TMS) este o metodă neinvazivă și nedureroasă pentru activarea neuronilor din creier și poate fi utilizată ca o sondă a funcțiilor cerebrale superioare și o intervenție pentru tulburări neurologice și psihiatrice . Mai multe bobine au fost concepute pentru a stimula diferite regiuni ale creierului pentru diferite tratamente (depresie și boala Parkinson), dar, datorită atenuării rapide a câmpului electric adânc în creier, TMS a fost limitat la ținte corticale superficiale, în jur de 2-3 cm adâncime . Cu toate acestea , studii recente arată că tratamentul pentru depresii poate lua în considerare și zone cerebrale nesuperficiale de adâncime de 3-5 cm, precum și regiuni mai adânci de adâncime de 6-8 cm .
folosind TMS tradițional, cu bobine circulare sau cu cifra de opt (Fo8), regiunile creierului profund nu pot fi atinse, deoarece câmpul electric a scăzut rapid în funcție de adâncimea țesutului pentru acest tip de bobine . Astfel, au fost necesare amplitudini de stimulare mult mai mari pentru a stimula regiunile neuronale mai profunde. Cu toate acestea, astfel de intensități ridicate la surse pot ridica multe probleme de siguranță și pot provoca disconfort local datorită activării directe a nervilor și a mușchilor din scalp . Proiectele de bobine potrivite pentru TMS adânci , cum ar fi bobina cu con dublu , bobina Halo și bobina H au fost dezvoltate pentru a eluda aceste limitări. Bobina cu dublu con asigură o penetrare mai profundă a câmpului și a fost utilizată pentru a viza cortexul cingulat anterior cu activarea transsynaptică . Bobina Halo a fost proiectată pentru a crește câmpul magnetic la adâncime în creier atunci când este utilizat împreună cu Fo8 existent și bobine circulare utilizate de obicei pentru TMS . Designul bobinei va fi o combinație de două bobine TMS utilizate în principal pentru a crește penetrarea profundă a câmpului electric: bobina cu con dublu și bobina Halo. Locațiile de activare din creier sunt legate de zona în care câmpul electric indus este maxim. Aceste locații, la rândul lor, depind de plasarea și geometria bobinelor, precum și de modelul capului pentru studiile de simulare . În ciuda importanței sale și a utilizării clinice crescânde a bobinelor TMS, cunoașterea distribuției spațiale a câmpului electric indus nu este încă investigată în mod cuprinzător . Diferite lucrări au investigat distribuția spațială a câmpului electric indus folosind date experimentale sau metode bazate pe simulări numerice cu modele simplificate ale capului, cum ar fi sfere (adică ) sau modele ale capului uman cu foarte puține țesuturi (adică ). Recent, Deng și colab. a publicat un studiu cuprinzător folosind modelul sferic al capului uman pentru a cuantifica focalitatea câmpului electric și adâncimea de penetrare a diferitelor bobine TMS. Cu toate acestea, având în vedere diferența evidentă și semnificativă dintre geometria creierului uman și forma sferică, distribuția câmpului electric indus va fi diferită în cele două modele. Se înțelege bine că structura creierului, rezoluția și numărul de țesuturi pot afecta distribuția câmpului electric și a câmpului electric maxim din creier, ceea ce poate duce la identificarea greșită a locațiilor de stimulare (adică a arătat că diferența de câmp electric poate fi mai mare de 100 v/m între modelele de cap uman tânăr și adult). În geometria realistă a capului și deoarece suprafața capului este neuniformă și cu o curbură variabilă, distribuția câmpului electric rezultat va fi mult mai sensibilă la orientarea și poziția bobinei . Guadagnin și colab. a publicat recent un studiu amplu care oferă o caracterizare a distribuțiilor e induse în creier ale unui model uman realist (Ella V1.3 din populația virtuală care conține constă din 76 de țesuturi diferite în întregul corp) datorită diferitelor configurații ale bobinei. Recent, un nou model anatomic multimodal al gâtului și capului uman a fost dezvoltat de Iacono și colab. . Noul model de înaltă rezoluție (până la 500 unqqm) conține 153 de structuri în cap și gât și oferă o caracterizare detaliată a țesuturilor cerebrale profunde cu o segmentare bazată pe atlas, ceea ce face ca modelul MIDA să fie printre cele mai avansate modele bazate pe imagine pentru modele anatomice în stadiul actual al tehnicii.
Obiectivul acestei lucrări este de a utiliza modele numerice pentru a proiecta și investiga un design combinat de bobină TMS profundă folosind bobine cu con dublu și Halo. Investigarea efectului modelului cerebral asupra câmpului electric indus a fost efectuată utilizând modelul MIDA. Noutatea acestei lucrări este următoarea: (i)modelați o bobină TMS profundă combinată formată din bobine Halo și dublu-con pentru a ajunge la structuri cerebrale profunde (hipocampus, nucleul accumbens și cerebel) și caracterizarea câmpului electric indus în creier de către bobina combinată.(ii)caracterizarea câmpurilor electrice induse folosind MIDA: printre cele mai detaliate modele anatomice bazate pe imagini de ultimă generație, inclusiv validarea simulărilor cu rezultate experimentale.
2. Materiale și metode
2.1. Platforma de simulare
bobinele TMS și modelul capului uman au fost modelate cu un pachet software comercial Sim4Life . Aceasta este o platformă de simulare, combinând fantome umane calculabile cu rezolvatori de fizică și modele de țesuturi. Sim4Life oferă o modernă și ușor de utilizat și conține state-of-the-art resurse pentru a permite o experiență rapidă și ușoară atunci când configurați geometrii model. Densitatea fluxului magnetic și câmpurile electrice din capul uman au fost analizate cu solverul Cvasistatic Magneto Sim4Life, permițând modelarea eficientă a regimurilor EM cvasistatice prin aplicarea metodei elementului finit pe ochiuri voxel gradate. Simulările numerice se bazează pe teoria frecvenței joase EM implementată în Sim4Life. Pentru un câmp electric E și un câmp magnetic B, presupunând un potențial vectorial a cu și un potențial electric scalar , ecuația potențialului scalar este se referă la permitivitatea complexă definită ca , este conductivitatea electrică, este permitivitatea electrică și este frecvența unghiulară. Pentru o lungime caracteristică și o valoare de permeabilitate , condiția de aproximare cvasistatică asigură că curentul ohmic perturbă doar neglijent câmpul B și potențialul vectorial a este echivalent cu potențialul vectorial magneto-static . Potențialul vectorial static poate fi apoi calculat prin Legea Biot-Savart (când este constant pe întregul domeniu de calcul). Deoarece majoritatea materialelor biologice prezintă proprietăți dielectrice care se supun în frecvență joasă, (1) poate fi simplificată la ecuația (2) este implementată în solverul cvasistatic magneto. Toate condițiile limită sunt neglijate ca condiții limită zero Neumann, adică dispariția fluxului normal. Solverul cu valoare reală este utilizat de acest model. Câmpul electric este calculat numai în domeniul lossy (), în timp ce câmpul H este calculat peste tot. Prin urmare, grila implicită acoperă numai domeniul cu pierderi.
2.2. Modelele de bobine numerice
noile bobine TMS profunde au fost proiectate recent folosind bobine combinate. De exemplu, Lu și Ueno au proiectat o bobină combinată formată din bobine Fo8 și Halo pentru a ajunge la structuri cerebrale profunde. Deoarece bobina cu con dublu este considerată mai mult pentru TMS profund , designul bobinei este combinația bobinei Halo cu bobina cu con dublu pentru a asigura o penetrare mai profundă a câmpului electric în interiorul structurilor creierului. Figura 1 prezintă modelul capului omului adult (mida) cu o bobină Halo (Figura 1(a)), bobină cu con dublu (Figura 1(b)), bobine combinate Halo și Fo8 (HFA) (Figura 1(c)) și bobină HDA (Figura 1(d)). Pentru a compara performanțele bobinei combinate cu bobinele TMS publicate anterior, am modelat bobina cu dublu con cu două înfășurări circulare adiacente fixate la un unghi de 120 de centi de 10 rotații cu diametrul interior și exterior de 15 mm și, respectiv, 40 mm, și bobina Halo cu 5 înfășurări circulare de 150 mm și, respectiv, 138 mm . Bobina Fo8 este situată la 10 mm deasupra suprafeței pielii capului pentru a lua în considerare grosimea izolației bobinei și bobina Halo la 97 mm sub vârful capului . Simulările au fost efectuate folosind curenți de impulsuri de frecvență de 2,5 kHz, pe baza frecvenței pulsului bifazic utilizat de sistemele TMS comerciale. Am presupus o putere de stimulare de 100% corespunzătoare curentului electric de 5 kA în bobine . Curentul care curge în cele două aripi vecine ale FO8 și bobinele cu dublu con este în direcții opuse. Pentru a evalua distribuția și răspândirea câmpului electric în diferite țesuturi ale creierului (materie cenușie, materie albă, talamus, hipotalamus, hipocamp, amigdală, nucleu accumbens și cerebel), a fost calculat procentul de volum al fiecărui țesut expus la o amplitudine a câmpului electric egală sau mai mare de jumătate din amplitudinea maximă a câmpului electric din cortex pentru fiecare bobină (V50 utilizat în ). Maximul unei distribuții de amplitudine corespunde percentilei sale 99 în loc de maxim pentru a ține cont de posibile inexactități de calcul .
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
2.3. Modelul anatomic și proprietățile dielectrice ale țesuturilor
modelul capului uman MIDA a fost utilizat pentru a investiga interacțiunea câmpului magnetic al bobinelor cu țesutul cerebral (Figura 2).
(a)
(b)
(c)
(d)
(în)
(f)
(ro)
(h)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
MIDA se numără printre cele mai avansate modele anatomice bazate pe imagistică multimodală ale gâtului și capului uman. Modelul anatomic vine cu structuri unice de înaltă rezoluție 153, incluzând mai multe structuri cerebrale profunde distincte, straturi și oase ale craniului și nervi, precum și vene și artere, ceea ce este extrem de relevant În studiul nostru pentru a distinge diferite structuri cerebrale profunde și câmpurile electrice induse în aceste țesuturi cerebrale. Parametrii dielectrici ai țesuturilor sunt stabiliți pe baza bazei de date bazate pe Gabriel și colab. .
2.4. Validare: Simulare versus experimente
pentru a valida software-ul de simulare, am comparat simulările numerice ale câmpurilor magnetice ale unei bobine comerciale utilizate în mod obișnuit în implementarea TMS cu măsurători din . Am considerat dublul 70 mm Magstim a 2-a generație cu telecomandă . Această bobină este compusă din 9 înfășurări (diametrul interior și exterior de 32 mm și, respectiv, 48 mm). Am considerat o separare de 1 mm între înfășurări pentru a lua în considerare spațiul de aer și izolația. Figura 3 prezintă componenta axială a câmpului magnetic simulat și măsurat (kA/m) la o distanță de 20 mm, de-a lungul lungimii bobinei TMS. Calculele arată un acord bun cu câmpul măsurat. S-a obținut deviația relativă de 0,12% -10,75%. Observăm abateri mai mari la centru și margini, care se datorează simplificărilor minore în modelarea bobinelor TMS.
3. Rezultate și discuții
3.1. Distribuția câmpului B
Figura 4 prezintă densitatea fluxului magnetic pe suprafața materiei cenușii (GM) a modelului capului MIDA pentru bobinele Halo (a), dublu-con (b), HFA (c) și HDA (d) pentru o separare egală de 10 mm și un curent egal aplicat celor două bobine. S-a observat că fluxul magnetic maxim a avut loc în apropierea bobinelor și s-a descompus rapid cu Distanța de bobine pentru toate configurațiile. Valori mai mari ale câmpului B în creier au fost prezente în partea dreaptă pe măsură ce s-au aplicat bobina HDA și HFA (figurile 4(c) și 4(d)). Comparația dintre configurațiile cu con dublu (Figura 4(b)) și HDA (Figura 4(d)) arată că adăugarea bobinei Halo a dus la o scădere a câmpului B în emisfera stângă în favoarea emisferei drepte. Acest lucru se datorează faptului că combinarea bobinei Halo cu bobinele dublu-con sau Fo8 are ca rezultat expunerea unei părți (partea dreaptă) a capului la curent pozitiv din cele două bobine și cealaltă parte (partea stângă) la curent pozitiv și negativ din bobine. Acest efect va duce la o penetrare crescută a câmpului în emisfera dreaptă atunci când funcționează bobina HFA și HDA. Acest efect asimetric poate fi, de asemenea, declanșat în favoarea emisferei stângi dacă inversăm direcția curentă în conul dublu sau în bobinele Fo8.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
3.2. Distribuția câmpului Electric
Figura 5 prezintă distribuția spațială a câmpului electric pe materia cenușie a creierului și materia albă pentru fiecare bobină TMS. Pentru bobina Halo, câmpul electric a fost produs în principal în periferia GM (Figura 5(a)) și WM (Figura 5(b)) datorită apropierii acestei regiuni de bobina Halo. Figura 5(A) A GM prezintă amplitudini E ușor mai mari decât în Figura 5(b) A WM, ceea ce poate duce la un volum mai mare de țesut expus la amplitudini mai mari ale câmpului electric. Valorile mai mari ale câmpului electric au fost mai concentrate în GM și WM pentru bobina cu con dublu comparativ cu bobina Halo (figurile 5(c) și 5(d)), ceea ce poate duce la adâncimi de penetrare scăzute ale câmpurilor electrice și, astfel, la o expunere mai mică a țesuturilor cerebrale profunde la amplitudini E suficiente. La utilizarea bobinei HFA, câmpurile electrice induse au fost crescute peste GM și suprafețele WM în principal peste emisfera dreaptă(figurile 5(e) și 5 (f)). Numerele sunt furnizate în tabelul 1 din secțiunea următoare. Rezultatele pentru acest tip de bobine sunt în acord cu cele publicate de Lu și Ueno folosind metoda impedanței . Odată cu aplicarea bobinei HDA (figurile 5(g) și 5(h)), distribuțiile câmpului electric au fost crescute pe emisfera dreaptă și au scăzut în partea stângă comparativ cu bobina HFA, sugerând că adâncimea de penetrare poate fi îmbunătățită în continuare în emisfera dreaptă a țesuturilor creierului, prezentată și în tabelul 1 (secțiunea următoare). Câmpul Electric a fost crescut în continuare în periferia dreaptă a GW și WM pentru bobinele HFA și HDA în comparație cu configurația bobinei Halo, ceea ce poate duce la o adâncime de penetrare suplimentară în structurile profunde ale emisferei drepte. Câmpul electric a fost scăzut în periferia stângă a GW și WM în comparație cu configurația bobinei Halo, ceea ce poate duce la o adâncime de penetrare mai mică în structurile profunde ale emisferei stângi. Așa cum s-a observat pentru distribuția câmpului B, câmpul electric nu este simetric pentru bobinele HFA și HDA din cauza distribuției asimetrice a fluxului magnetic.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
(i) HFA_R și HDA_R se referă la procentul de volum al fiecărui țesut cerebral din partea dreaptă folosind bobinele HFA și, respectiv, HDA. (ii) HFA_L și HDA_L se referă la procentul de volum al fiecărui țesut cerebral din partea stângă folosind bobinele HFA și, respectiv, HDA. (iii) DC se referă la bobina dublu-con. (iv) talamusul, hipotalamusul și amigdala au 0% din volumul țesutului, unde amplitudinea E are 50% din vârful E în cortex pentru fiecare configurație a bobinei.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(a)
(b)
(c)
(d)
(în)
(f)
(ro)
(h)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
Figura 6 prezintă distribuția câmpului electric pe secțiunea transversală utilizând bobina combinată HDA. Secțiunea coronală(Figura 6 (b)) prezintă un câmp electric mai mare în emisfera dreaptă comparativ cu cel din emisfera stângă pentru bobina asimetrică HDA, care era de așteptat de la distribuția electrică și a densității fluxului în creier. Câmpurile electrice superioare sunt, de asemenea, prezente în unele structuri profunde din interiorul creierului (în centrul figurii 6(b)). Următoarea secțiune va oferi o evaluare mai cantitativă a câmpului electric răspândit în structurile creierului profund.
(a)
(b)
(a)
(b)
3.3. Câmpul electric răspândit în structurile creierului profund
pentru a cuantifica răspândirea și penetrarea câmpului electric, Tabelul 1 arată procentul de volum al fiecărui țesut în care amplitudinea câmpului electric este mai mare de jumătate din vârful E din cortex pentru fiecare bobină (V50). Datorită faptului că diferite distribuții de câmp apar în emisfera dreaptă și stângă a țesuturilor cerebrale, procentul de volum al fiecărui țesut cerebral a fost calculat pentru ambele părți ale creierului pentru bobinele HFA și HDA (bobinele cu con dublu și Halo sunt bobine simetrice). HFA_R și HDA_R se referă la procentul de volum al fiecărui țesut cerebral din partea dreaptă folosind bobinele HFA și, respectiv, HDA. HFA_L și HDA_L se referă la procentul de volum al fiecărui țesut cerebral din partea stângă folosind bobinele HFA și, respectiv, HDA. Rezultatele arată că V50 în emisfera dreaptă este mai mare decât cea din emisfera stângă pentru bobinele asimetrice, care era de așteptat de la distribuția electrică și densitatea fluxului în creier (figurile 4 și 5). Acest efect este mai vizibil pentru structurile mai profunde, cum ar fi hipocampul și nucleul accumbens, unde V50 este de 0,04% și 1,21% în partea dreaptă a hipocampului și, respectiv, nucleul accumbens, în timp ce acest procent este egal cu zero în partea stângă (pentru bobina HDA). O comparație între bobinele HDA și HFA arată că un procent mai mare din partea dreaptă a structurilor profunde (hipocampus, nucleul accumbens și cerebel) poate fi atins cu HDA comparativ cu HFA (V50 egal cu 6,2% și 3,24% pentru partea dreaptă a cerebelului atunci când se utilizează bobinele HDA și respectiv HFA. Hipocampul și nucleul accumbens pot fi atinse numai atunci când se utilizează bobina HDA cu V50 egală cu 0,04% și 1,21% pentru hipocamp și, respectiv, nucleul accumbens). Acest avantaj al bobinei HDA (V50 de HDA_L: 21,77%, 20,18% și 1.94% pentru GM, WM și, respectiv, cerebel) peste bobina HFA (V50 de HFA_L: 21,54%, 20,44% și 1,85% pentru GM, WM și, respectiv, cerebel) este mai puțin importantă în partea stângă a țesuturilor creierului. Bobina Halo vizează structuri mai profunde din creier (V50 egal cu 2,12% pentru cerebel cu bobina Halo) chiar și fără a utiliza o bobină combinată și răspândește amplitudini mari ale câmpului electric (V50 de Halo: 23,96%, 22,13% și 2,12% pentru GM, WM și respectiv cerebel) mai mari decât bobinele HDA și HFA din partea stângă a țesuturilor creierului. Dublu-con (V50 de DC: 26,69% și 24.27%, pentru GM și WM, respectiv) și bobinele Halo asigură distribuția câmpurilor mai mari în partea stângă WM și GM decât bobinele HDA și HFA datorită distribuției asimetrice a fluxului magnetic. Talamusul, hipotalamusul și amigdala au 0% din V50 pentru fiecare configurație a bobinei. Materia cenușie și albă poate fi atinsă de toate bobinele cu V50>0. Din nou, cele mai mari valori au fost obținute pentru bobinele HFA și HDA.
în scopul TMS profund, o bobină bună trebuie caracterizată printr-o adâncime de penetrare ridicată și o focalitate ridicată (adică un V50 scăzut). Din tabelul 1, putem vedea că bobina cu dublu con oferă o focalitate mai bună în materia cenușie și albă în comparație cu bobinele HDA din emisfera dreaptă (V50 egal cu 26,7 și 33,8 pentru DC și respectiv HDA), dar în detrimentul adâncimii de penetrare mai mici. De fapt, bobina DC nu este capabilă să atingă o structură mai profundă, cum ar fi hipocampul și nucleul accumbens, unde V50 al bobinei HDA este egal cu 0,04% și 1,21% în partea dreaptă a hipocampului și, respectiv, a nucleului accumbens. Acest compromis adâncime-focalitate este inerent majorității bobinelor TMS. Bobinele care se caracterizează printr-o adâncime de penetrare mai mare (HDA și HFA) ar putea induce în același timp o amplitudine ridicată a câmpului într-o zonă foarte largă a cortexului (Tabelul 1). Pe de altă parte, bobinele cu o distribuție mai focală a amplitudinii câmpului electric (DC și Halo) nu sunt capabile să ajungă la structuri cerebrale profunde (Tabelul 1). Niciuna dintre bobinele propuse nu este capabilă să depășească acest compromis, așa cum sugerează și lucrarea anterioară, deoarece atingerea structurilor cerebrale mai profunde implică un câmp electric mai larg răspândit pe suprafața corticală.
4. Concluzie
o bobină cu con dublu combinată cu o bobină Halo a fost investigată numeric și caracterizată pentru stimularea profundă a creierului folosind modele de cap eterogene realiste anatomic. Distribuția 3D a câmpului B și a câmpului electric au fost obținute pentru bobine Halo, dublu-con, HFA și HDA. Răspândirea câmpurilor electrice a fost calculată și comparată pentru diferite țesuturi cerebrale, inclusiv țesuturi cerebrale profunde (talamus, hipotalamus, amigdala, hipocampus, nucleul accumbens și cerebel) folosind bobine Halo, dublu-con, HDA și HFA și a arătat că distribuția asimetrică a câmpului magnetic produsă de bobina HDA a îmbunătățit răspândirea câmpului electric în interiorul structurilor cerebrale profunde (hipocampus, nucleul accumbens și cerebel) și permițând astfel stimularea creierului la adâncimi mai mari. Limitările versiunii actuale a modelului numeric ar trebui să includă absența încorporării corespunzătoare a anizotropiei tisulare în special în materia albă, ceea ce ar crește precizia modelului și ar putea afecta distribuția câmpului electric . Sensibilitatea poziției bobinelor ar trebui, de asemenea, efectuată în viitor pentru a caracteriza efectul câmpurilor induse.
disponibilitatea datelor
datele utilizate pentru a susține rezultatele acestui studiu sunt disponibile de la autorul corespunzător, la cerere.
conflicte de interese
autorii declară că nu au conflicte de interese.
mulțumiri
cercetarea a fost susținută de COST action BM1309 (COST EMF-MED) și de Proiectul FWO G003415N. E. Tanghe este membru postdoctoral al Fundației de cercetare-Flandra (FWO-V).