- Abstrakt
- 1. Introduktion
- 2. Material och metoder
- 2.1. Simuleringsplattform
- 2.2. Numeriska Spolmodeller
- 2.3. Anatomisk modell och Vävnadsdielektriska egenskaper
- 2.4. Validering: Simulering kontra experiment
- 3. Resultat och diskussioner
- 3.1. B-Fältfördelning
- 3.2. Elektrisk Fältfördelning
- 3.3. Elektriskt fält sprids i djupa hjärnstrukturer
- 4. Slutsats
- datatillgänglighet
- intressekonflikter
- bekräftelser
Abstrakt
stimulering av djupa hjärnstrukturer genom transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är en metod för att aktivera djupa neuroner i hjärnan och kan vara till nytta för behandling av psykiatriska och neurologiska störningar. För att numeriskt undersöka möjligheten för djupare hjärnstimulering (elektriska fält som når hippocampus, nucleus accumbens och cerebellum), kombinerades TMS-spolar med dubbelkonspolen med Halospolen (HDA) modellerades och undersöktes. Numeriska simuleringar utfördes med hjälp av MIDA: en ny multimodal bildbaserad detaljerad anatomisk modell av det mänskliga huvudet och nacken. 3D-fördelningarna av magnetisk flödestäthet och elektriskt fält beräknades. Procentandelen av volymen för varje vävnad som utsätts för elektrisk fältamplitud lika med eller större än 50% av den maximala amplituden för E i cortex för varje spole beräknades för att kvantifiera den elektriska fältspridningen (V50). Resultaten visar att endast HDA-spolen kan sprida elektriska fält till hippocampus, nucleus accumbens och cerebellum med V50 lika med 0,04%, 1,21% respektive 6,2%.
1. Introduktion
transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är en icke-invasiv och smärtfri metod för att aktivera neuroner i hjärnan och kan användas som en sond av högre hjärnfunktioner och ett ingripande för neurologiska och psykiatriska störningar . Flera spolar utformades för att stimulera olika hjärnregioner för olika behandlingar (depression och Parkinsons sjukdom) men på grund av det elektriska fältet snabb dämpning djupt i hjärnan har TMS begränsats till ytliga kortikala mål, cirka 2-3 cm djup . Nya studier visar emellertid att behandling av depression också kan överväga icke-ytliga hjärnområden med 3-5 cm djup , liksom djupare områden med 6-8 cm djup .
med traditionella TMS, med cirkulär eller figur av åtta (Fo8) spolar, kan regioner med djup hjärna inte nås, eftersom det elektriska fältet minskade snabbt som en funktion av vävnadsdjupet för denna typ av spolar . Således behövdes mycket högre stimuleringsamplituder för att stimulera djupare neuronala regioner. Sådana höga intensiteter vid källorna kan dock ge upphov till många säkerhetsproblem och kan orsaka lokalt obehag på grund av direkt aktivering av nerver och muskler i hårbotten . Spoldesigner lämpliga för djupa TMS, såsom dubbelkonspole , Halospole och H-spole utvecklades för att kringgå dessa begränsningar. Dubbelkonspolen ger djupare fältpenetration och har använts för att rikta sig mot den främre cingulära cortexen med transsynaptisk aktivering . Halo-spolen har utformats för att öka magnetfältet på djupet i hjärnan när det används tillsammans med befintliga Fo8 och cirkulära spolar som vanligtvis används för TMS . Spoldesignen kommer att vara en kombination av två TMS-spolar som oftast används för att öka den djupa penetrationen av det elektriska fältet: dubbelkonspolen och Halospolen. Platser för aktivering i hjärnan är relaterade till det område där det inducerade elektriska fältet är maximalt. Dessa platser beror i sin tur på spolarnas placering och geometri samt huvudmodellen för simuleringsstudier . Trots dess betydelse och den ökande kliniska användningen av TMS-spolarna undersöks ännu inte kunskapen om den rumsliga fördelningen av det inducerade elektriska fältet . Olika verk undersökte den inducerade rumsliga fördelningen av elektriska fält med hjälp av experimentella data eller numeriska simuleringsbaserade metoder med förenklade huvudmodeller som sfärer (dvs. ) eller mänskliga huvudmodeller med mycket få vävnader (dvs. ). Nyligen, Deng et al. publicerad en omfattande studie med sfärisk mänsklig huvudmodell för att kvantifiera det elektriska fältfokaliteten och penetrationsdjupet för olika TMS-spolar. Men med tanke på den uppenbara och signifikanta skillnaden mellan den mänskliga hjärngeometrin och den sfäriska formen kommer den inducerade elektriska fältfördelningen att vara annorlunda i de två modellerna. Det är väl förstått att hjärnans struktur, upplösningen och antalet vävnader kan påverka fördelningen av det elektriska fältet och det maximala elektriska fältet i hjärnan, vilket kan resultera i felaktigt identifierande stimuleringsplatser (dvs visade att skillnaden i elektriskt fält kan vara större än 100 V/m mellan unga och vuxna mänskliga huvudmodeller). I den realistiska huvudgeometrin och eftersom huvudytan är ojämn och med en variabel krökning kommer den resulterande elektriska fältfördelningen att vara mycket känsligare för spolorienteringen och positionen . Guadagnin et al. nyligen publicerad en omfattande studie som ger en karaktärisering av de inducerade e-fördelningarna i hjärnan av en realistisk mänsklig modell (Ella V1.3 från den virtuella befolkningen som innehåller består av 76 olika vävnader i hela kroppen) på grund av olika spolkonfigurationer. Nyligen utvecklades en ny multimodal anatomisk modell av den mänskliga nacken och huvudet av Iacono et al. . Den nya högupplösta modellen (upp till 500 midac) innehåller 153 strukturer i huvud och hals och ger detaljerad karakterisering av de djupa hjärnvävnaderna med en atlas-baserad segmentering, vilket gör MIDA-modellen till de mest avancerade bildbaserade modellerna för anatomiska modeller i toppmodern teknik.
syftet med detta arbete är att använda numeriska modeller för att designa och undersöka en kombinerad djup TMS-spoldesign med dubbla kon-och Halospolar. Undersökning av hjärnmodellens effekt på det inducerade elektriska fältet utfördes med användning av MIDA-modellen. Nyheten i detta dokument är som följer: (i) modellera en kombinerad djup TMS-spole bestående av Halo-och dubbelkonspolar för att nå djupa hjärnstrukturer (hippocampus, nucleus accumbens och cerebellum) och karakterisering av det inducerade elektriska fältet i hjärnan av den kombinerade spolen.(ii)karakterisering av de inducerade elektriska fälten med hjälp av MIDA: bland de mest detaljerade toppmoderna bildbaserade anatomiska modellerna inklusive validering av simuleringarna med experimentella resultat.
2. Material och metoder
2.1. Simuleringsplattform
TMS-spolar och human head-modellen modellerades med ett kommersiellt mjukvarupaket Sim4Life . Detta är en simuleringsplattform som kombinerar beräkningsbara mänskliga fantomer med fysiklösare och vävnadsmodeller. Sim4Life ger en modern och användarvänlig och innehåller state-of-the-art resurser för att möjliggöra en snabb och enkel upplevelse när du ställer in modellgeometrier. Den magnetiska flödestätheten och de elektriska fälten i det mänskliga huvudet analyserades med Sim4Life magneto quasistatic solver, vilket möjliggör effektiv modellering av kvasistatiska EM-regimer genom att tillämpa finita elementmetoden på graderade voxelnät. De numeriska simuleringarna är baserade på EM-lågfrekvensteorin implementerad i Sim4Life. För ett elektriskt fält E och ett magnetfält B, förutsatt att en vektorpotential A med och en skalär elektrisk potential , skalärpotentialekvationen hänvisar till den komplexa permittiviteten definierad som , är den elektriska ledningsförmågan, är den elektriska permittiviteten och är vinkelfrekvensen. För en karakteristisk längd och ett permeabilitetsvärde säkerställer det kvasistatiska approximationsförhållandet att den ohmiska strömmen endast stör B-fältet och vektorpotentialen A motsvarar den magneto-statiska vektorpotentialen . Den statiska vektorpotentialen kan sedan beräknas med Biot-Savart-lagen (när är konstant över hela beräkningsdomänen). Eftersom de flesta biologiska material uppvisar dielektriska egenskaper som lyder i låg frekvens, kan (1) förenklas till ekvation (2) implementeras i magnetokvasistatisk lösare. Alla gränsvillkor försummas som noll Neumann gränsvillkor, dvs försvinnande normalt flöde. Den verkliga värderade lösaren används av denna modell. Det elektriska fältet beräknas endast i domänen lossy (), medan H-fältet beräknas överallt. Därför täcker standardnätet endast den förstörande domänen.
2.2. Numeriska Spolmodeller
nya djupa TMS-spolar designades nyligen med kombinerade spolar. Till exempel designade Lu och Ueno en kombinerad spole bestående av Fo8-och Halospolar för att nå djupa hjärnstrukturer. Eftersom dubbelkonspolen är mer övervägd för djupa TMS, är spoldesignen kombinationen av Halospolen med dubbelkonspolen för att ge en djupare penetration av det elektriska fältet inuti hjärnstrukturerna. Figur 1 visar huvudmodellen för vuxen man (MIDA) med en Halospole (Figur 1(A)), dubbelkonspole (Figur 1(b)), kombinerade Halo-och Fo8-spolar (HFA) (Figur 1(c)) och HDA-spole (Figur 1(d)). För att jämföra den kombinerade spolens prestanda med tidigare publicerade TMS-spolar modellerade vi dubbelkonspolen med två intilliggande cirkulära lindningar fixerade vid en 120-vinkel på 10 varv med inre och yttre diameter på 15 mm respektive 40 mm och Halo-spolen med 5 cirkulära lindningar på 150 mm respektive 138 mm. Fo8-spolen är belägen 10 mm över huvudets hudyta för att ta hänsyn till spolens isoleringstjocklek och Halospolen 97 mm under huvudets toppunkt . Simuleringar utfördes med användning av pulsströmmar med 2,5 kHz frekvens, baserat på den bifasiska pulsfrekvensen som används av kommersiella TMS-system. Vi antog en 100% stimulatoreffekt som motsvarar 5 kA elektrisk ström i spolarna . Strömmen som strömmar i de närliggande två vingarna på Fo8 och dubbelkonspolarna är i motsatta riktningar. För att bedöma den elektriska fältfördelningen och spridningen i olika hjärnvävnader (grå substans, vit substans, talamus, hypotalamus, hippocampus, amygdala, nucleus accumbens och cerebellum) beräknades procentandelen av volymen för varje vävnad utsatt för en elektrisk fältamplitud som är lika med eller större än hälften av den maximala amplituden för det elektriska fältet i cortex för varje spole (V50 används i ). Maximalt för en amplitudfördelning motsvarar dess 99: e percentil istället för det maximala för att ta hänsyn till möjliga beräkningsfel .
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
2.3. Anatomisk modell och Vävnadsdielektriska egenskaper
mida human head-modellen användes för att undersöka spolarnas magnetfältinteraktion med hjärnvävnad (Figur 2).
(a)
(b)
(c)
(d)
(i)
(f)
(sv)
(h)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
MIDA är bland de mest avancerade multimodala bildbaserade anatomiska modellerna av den mänskliga nacken och huvudet. Den anatomiska modellen kommer med unika högupplösta 153-strukturer, inklusive flera distinkta djupa hjärnstrukturer, skallelager och ben och nerver, samt vener och artärer , vilket är mycket relevant i vår studie för att skilja olika djupa hjärnstrukturer och de inducerade elektriska fälten i dessa hjärnvävnader. De dielektriska parametrarna för vävnaderna ställs in baserat på databasen baserad på Gabriel et al. .
2.4. Validering: Simulering kontra experiment
för att validera simuleringsprogramvaran jämförde vi de numeriska simuleringarna av magnetfälten i en kommersiell spole som vanligtvis används vid implementering av TMS med mätningar från . Vi ansåg den dubbla 70 mm Magstim 2: a generationen med fjärrkontroll . Denna spole består av 9 lindningar (inre och yttre diameter på 32 mm respektive 48 mm). Vi ansåg en separation av 1 mm mellan lindningarna för att ta hänsyn till luftgap och isolering. Figur 3 visar den axiella komponenten i det simulerade och uppmätta magnetfältet (kA/m) på ett avstånd av 20 mm, längs TMS-spolens längd. Beräkningarna visar god överensstämmelse med det uppmätta fältet. Relativ avvikelse på 0,12% -10,75% erhölls. Vi observerar högre avvikelser i mitten och kanterna, vilket beror på de mindre förenklingarna vid modellering av TMS-spolar.
3. Resultat och diskussioner
3.1. B-Fältfördelning
Figur 4 visar den magnetiska flödestätheten på ytan av grå substans (GM) i MIDA-huvudmodellen för Halo (a), dubbelkon (b), HFA (c) och HDA (d) – spolar för en lika separering av 10 mm och lika ström som appliceras på de två spolarna. Det observerades att det maximala magnetiska flödet inträffade nära spolarna och förfallit snabbt med avstånd från spolarna för alla konfigurationer. Högre värden av B-fält i hjärnan var närvarande på höger sida när HDA och HFA-spolen applicerades(figurerna 4(c) och 4 (d)). Jämförelse mellan dubbelkonen(Figur 4 (b)) och HDA(Figur 4 (d)) konfigurationer visar att tillsats av Halospolen resulterade i en b-fältminskning i vänster halvklot till förmån för höger halvklot. Detta beror på det faktum att kombinationen av Halospolen med dubbelkonen eller Fo8-spolarna resulterar i att ena sidan (höger sida) av huvudet utsätts för positiv ström från de två spolarna och den andra sidan (vänster sida) till positiv och negativ ström från spolarna. Denna effekt kommer att resultera i en ökad fältpenetration i höger halvklot när HFA och HDA-spolen fungerar. Denna asymmetriska effekt kan också triggas till förmån för den vänstra halvklotet om vi inverterar strömriktningen i dubbelkonen eller Fo8-spolarna.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)
3.2. Elektrisk Fältfördelning
Figur 5 visar den elektriska fältets rumsliga fördelning på hjärnans grå materia och vit materia för varje TMS-spole. För Halospolen producerades det elektriska fältet huvudsakligen i periferin av GM(Figur 5 (A)) och WM(Figur 5 (b)) på grund av närheten av denna region till Halospolen. Figur 5(A) i GM visar något högre e-amplituder än i Figur 5(b) i WM, vilket kan resultera i större volym vävnad utsatt för högre amplituder i det elektriska fältet. Högre värden av elektriskt fält var mer koncentrerade i GM och WM för dubbelkonspolen jämfört med Halospolen (figurerna 5(c) och 5(d)) vilket kan resultera i låga penetrationsdjup hos de elektriska fälten och därmed mindre exponering av djupa hjärnvävnader för tillräckliga E-amplituder. Vid användning av HFA-spolen ökades de inducerade elektriska fälten över GM och WM-ytorna huvudsakligen över den högra halvklotet (figurerna 5(e) och 5(f)). Nummer finns i tabellen 1 i nästa avsnitt. Resultaten för denna typ av spolar överensstämmer med de som publiceras av Lu och Ueno med hjälp av impedansmetoden . Med appliceringen av HDA-spole(figurerna 5(g) och 5 (h)) ökades de elektriska fältfördelningarna över den högra halvklotet och minskade i vänster sida jämfört med HFA-spolen, vilket tyder på att penetrationsdjupet kan förbättras ytterligare i den högra halvklotet i hjärnvävnaderna, visas också i Tabell 1 (nästa avsnitt). Elektriskt fält ökades ytterligare i den högra periferin av GW och WM för HFA-och HDA-spolar jämfört med Halo-spolkonfigurationen, vilket kan resultera i ytterligare penetrationsdjup i djupa strukturer på höger halvklot. Det elektriska fältet minskade i den vänstra periferin av GW och WM jämfört med Halo-spolkonfigurationen, vilket kan resultera i lägre penetrationsdjup i djupa strukturer på vänstra halvklotet. Som märkt för B-fältfördelningen är det elektriska fältet inte symmetriskt för HFA-och HDA-spolar på grund av den asymmetriska fördelningen av magnetflödet.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
(i) hfa_r och HDA_R hänvisar till volymprocenten för varje hjärnvävnad på höger sida med hjälp av HFA-respektive HDA-spolarna. (ii) hfa_l och HDA_L avser volymprocenten för varje hjärnvävnad på vänster sida med hjälp av HFA-respektive HDA-spolarna. (iii) DC hänvisar till dubbelkonspolen. (iv) Thalamus, hypotalamus och amygdala har 0% av vävnadsvolymen där amplituden för E har 50% av toppen av E i cortex för varje spolkonfiguration.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(a)
(b)
(c)
(d)
(i)
(f)
(sv)
(h)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
Figur 6 visar den elektriska fältfördelningen på tvärsnitt med användning av den kombinerade HDA spolen. Koronalsektionen(Figur 6 (b)) visar högre elektriskt fält i höger halvklot jämfört med det i vänstra halvklotet för den asymmetriska spolen HDA, som förväntades från den elektriska och flödestäthetsfördelningen i hjärnan. Högre elektriska fält finns också i vissa djupa strukturer inuti hjärnan (i mitten av Figur 6(b)). Nästa avsnitt kommer att ge mer kvantitativ utvärdering av det elektriska fältet som sprids i djupa hjärnstrukturer.
(a)
(b)
(a)
(b)
3.3. Elektriskt fält sprids i djupa hjärnstrukturer
för att kvantifiera spridningen och penetrationen av det elektriska fältet visar tabell 1 volymprocenten för varje vävnad där den elektriska fältamplituden är större än hälften av toppen av E i cortex för varje spole (V50). På grund av det faktum att olika fältfördelningar förekommer i höger och vänster halvklot i hjärnvävnaderna, beräknades volymprocent av varje hjärnvävnad för båda sidor av hjärnan för HFA-och HDA-spolar (dubbelkon och Halospolar är symmetriska spolar). HFA_R och HDA_R hänvisar till volymprocenten för varje hjärnvävnad på höger sida med hjälp av HFA-respektive HDA-spolarna. HFA_L och HDA_L hänvisar till procentandelen av volymen för varje hjärnvävnad på vänster sida med hjälp av HFA-respektive HDA-spolarna. Resultaten visar att V50 på höger halvklot är större än den på vänster halvklot för de asymmetriska spolarna, vilket förväntades från den elektriska och flödestäthetsfördelningen i hjärnan (figurerna 4 och 5). Denna effekt är mer märkbar för de djupare strukturerna som hippocampus och nucleus accumbens där V50 är 0,04% och 1,21% i höger sida av hippocampus respektive nucleus accumbens, medan denna procentandel är lika med noll i vänster sida (för HDA-spolen). En jämförelse mellan HDA och HFA-spolarna visar att en större andel av höger sida av djupa strukturer (hippocampus, nucleus accumbens och cerebellum) kan nås med HDA jämfört med HFA (V50 lika med 6,2% och 3,24% för höger sida av cerebellum när man använder HDA respektive HFA-spolarna. Hippocampus och nucleus accumbens kan endast nås när man använder HDA-spolen med V50 lika med 0,04% respektive 1,21% för hippocampus respektive nucleus accumbens). Denna fördel med HDA-spolen (V50 av HDA_L: 21,77%, 20,18% och 1.94% för GM, WM respektive cerebellum) över HFA-spolen (V50 av HFA_L: 21,54%, 20,44% respektive 1,85% för GM, WM respektive cerebellum) är mindre viktigt i vänster sida av hjärnvävnaderna. Halo-spolen riktar sig mot djupare strukturer i hjärnan (V50 lika med 2,12% för cerebellum med Halo-spolen) även utan att använda en kombinerad spole och sprida höga amplituder av det elektriska fältet (V50 av Halo: 23,96%, 22,13% och 2,12% för GM, WM respektive cerebellum) större än HDA och HFA-spolarna i vänster sida av hjärnvävnader. Dubbelkon (V50 DC: 26,69% och 24.27%, för GM respektive WM) och Halospolar ger större fältfördelning i WM och GM vänster sida än HDA-och HFA-spolarna på grund av den asymmetriska fördelningen av magnetflödet. Thalamus, hypothalamus och amygdala har 0% av V50 för varje spolkonfiguration. Grå och vit materia kan nås av alla spolar med V50> 0. Återigen erhölls högsta värden för HFA-och HDA-spolar.
för djup TMS bör en bra spole kännetecknas av ett högt penetrationsdjup och hög fokusering (dvs en låg V50). Från Tabell 1 kan vi se att dubbelkonspolen ger bättre fokusering i den grå och vita substansen jämfört med HDA-spolarna på höger halvklot (V50 lika med 26, 7 respektive 33, 8 för DC respektive HDA) men som en nackdel för mindre penetrationsdjup. Faktum är att DC-spolen inte kan nå djupare struktur som hippocampus och nucleus accumbens där V50 av HDA-spolen är lika med 0.04% och 1.21% i höger sida av hippocampus respektive nucleus accumbens. Denna djupfokalitetsavvägning är inneboende för de flesta TMS-spolarna. Spolar som kännetecknas av ett högre penetrationsdjup (HDA och HFA) kan samtidigt inducera en hög fältamplitud i ett mycket brett område av cortexen (Tabell 1). Å andra sidan kan spolarna med en mer fokal elektrisk fältamplitudefördelning (DC och Halo) inte nå djupa hjärnstrukturer (Tabell 1). Ingen av de föreslagna spolarna kan övervinna denna avvägning, vilket också föreslagits av det tidigare arbetet, eftersom att nå djupare hjärnstrukturer innebär ett bredare elektriskt fält som sprids på den kortikala ytan.
4. Slutsats
en dubbelkonspole kombinerad med en Halospole har undersökts numeriskt och karakteriserats för djup hjärnstimulering med hjälp av anatomiskt realistiska heterogena huvudmodeller. 3D-fördelningen av B-fältet och det elektriska fältet erhölls för Halo -, dubbelkon -, HFA-och HDA-spolar. Spridningen av de elektriska fälten beräknades och jämfördes för olika hjärnvävnader inklusive djupa hjärnvävnader (thalamus, hypotalamus, amygdala, hippocampus, nucleus accumbens och cerebellum) med hjälp av Halo -, dubbelkon -, HDA-och HFA-spolar och visade att den asymmetriska magnetfältfördelningen som producerades av HDA-spolen förbättrade spridningen av det elektriska fältet inuti djupa hjärnstrukturer (hippocampus, nucleus accumbens och cerebellum) och därmed möjliggjorde stimulering av hjärnan på större djup. Begränsningar av den nuvarande versionen av den numeriska modellen bör inkludera frånvaron av lämplig införlivande av vävnadsanisotropin, särskilt i den vita substansen, vilket skulle öka modellprecisionen och kan påverka den elektriska fältfördelningen . Känsligheten hos spolarnas position bör också utföras i framtiden för att karakterisera dess effekt av de inducerade fälten.
datatillgänglighet
de data som används för att stödja resultaten av denna studie är tillgängliga från motsvarande författare på begäran.
intressekonflikter
författarna förklarar att de inte har några intressekonflikter.
bekräftelser
forskningen stöddes av COST Action BM1309 (COST EMF-med) och FWO G003415N-projektet. E. Tanghe är postdoktor vid Research Foundation-Flanders (FWO-V).