Влияние экранов на распределения импульсных магнитных полей при транскраниальной магнитной стимуляции

Аннотация

В статье проведено экспериментальное исследование распределения амплитуды импульсного магнитного поля и влияние на него различных экранов Ключевые слова: транскраниальная магнитная стимуляция, магнитное поле, экраны, индуктор.

В настоящее время активно развиваются методы транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) [1]. Более века назад было установлено, что электричество и магнетизм взаимозависимы. Если проводящая среда, какой является мозг, попадает в магнитное поле, то в этой среде индуцируется электрический ток. Таким образом, применение ТМС позволяет произвести «без электродную» электрическую стимуляцию. В отличие от транскраниальной электрической стимуляции (ТЭС), ТМС не сопряжена с болевыми ощущениями и поэтому она более перспективна в качестве диагностических и терапевтических процедур[2]. Однако излучение индукторов относительно равномерно на значительной площади. Поэтому создание более локализованного поля достаточно актуальная задача.

ТМС относительно новое направление в науке, только в 1985 году A. Barker c сотрудниками благодаря интенсивным инженерным и клиническим разработкам впервые создали магнитный стимулятор, обладающий достаточной мощностью, чтобы возбуждать моторную кору головного мозга непосредственно через черепную коробку и вызывать мышечные сокращения в конечностях [3].

В настоящее время представляет интерес исследования распределения электрической энергии, при магнитной стимуляции, в тканях человека. Данной тематике посвящается ряд работ; существует два основных подхода: исследование на физических моделях [4] и моделирование [5]. Ряд работ посвящено проблеме локализации электрической энергии в небольшом объеме биологической ткани. В многие работы введутся в направление создания сложной формы индуктора[6].

Целью данной работы является исследование распределения энергии импульсного магнитного поля в имитаторах биологических тканях и поиск способов локализации стимулирующего воздействия в заданной области имитатора. импульсный магнитный стимуляция экран Обобщённый алгоритм проведения изменений состоит из следующих этапов:

• 1. Измеряется сопротивление образца. Рассчитывается удельное сопротивление образца и сверяется с заданной биологической тканью.
• 2. Устанавливаются электроды на образец, расстояние между электродами фиксируется равным семи сантиметрам. Для лучшего контакта с образцом, электроды фиксируются прессом, заданной массы, из немагнитного материала.
• 3. Фиксируется магнитный индуктор (коил) на заданном расстоянии от образца (расстояние в ходе исследований меняется от 0,5−10 см). Проекция центра индуктора на образец была принята за начало координат.
• 4. Формируется импульсное магнитное поле (один импульс). На осциллографе фиксируется форма и амплитуда наведённого сигнала (структурная схема установки приведена на рисунке 1).
• 5. Электроды перемещаются на заданное расстояние, долее алгоритм повторяется со второго пункта.

Рисунок 1 Структурная схема установки для измерений влияния импульсного магнитного поля на образцы

Рисунок 2 а) Схема проведения исследований, б) Форма импульса, создаваемая индуктором.

В первом эксперименте исследовалась зависимость между величиной зазора экрана и амплитудой импульса. В ходе эксперимента индуктор был зафиксирован на высоте 10 см от образца. Между индуктором и образцом были расположены 2 пластины, из ферримагнитного материала, размерами 40 на 40 см, изменялось расстояние между пластинами от нуля до восемнадцати сантиметров, с шагом в два сантиметра. Полученные данные представлены на рисунке 3а.

Исходя из полученных данных можно сделать вывод о том, что для данного вида индуктора есть некоторый критический размер зазора между пластинами равный 12 см. Превышая который напряжение на электродах не увеличивается. Так же можно сделать вывод о том то для экранирования достаточен размер экранов сопоставимый с размерами излучателя.

Рисунок 3 а) Зависимость напряжения на электродах от расстояния между двумя экранами, б) Сравнение характеристик индуктора при наличии экранов и без экрана.

Во втором эксперименте исследовалась зависимость между крутизной кривой и величиной зазора между экранами. Между образцом и индуктором располагались две экранирующие пластины. Были сняты характеристики при расстоянии между пластинами равным 6 см, 10 см и без экранов. Индуктор располагался на высоте 10 см от образца. Полученные данные представлены на рисунке 3б.

В результате эксперимента было установлено, что чем больше щель между экранами, тем более локализована электрическая энергия. Следовательно, применение листовых экранов ухудшает характеристики индуктора магнитного поля. Амплитуда сигнала при размере щели в 6 см составляет 86% от сигнала без экрана, при размере щели в 10 см — 89%.

В третьем эксперименте исследовалась характеристика магнитного поля от расстояния между индуктором и образцом. Были проведены измерения при высоте индуктора над образцом равным 10, 5 и 0,5 см. Экспериментальные данные нормированы и представлены в относительных величинах на рисунке 4.

Рисунок 4 Характеристика излучения в зависимости от расстояния индуктора до образца.

В результате эксперимента было установлено, что при изменении расстояния между индуктором и образцом меняется не только амплитуда, но и крутизна характеристики: чем ближе индуктор к образцу, тем более локализовано излучение индуктора. Для оценки характеристики излучения индуктора была принята значение ширины кривой на высоте 0,7 от максимального. При удалении индуктора от образца на 5 см характеристика шире на 43% по сравнению с характеристикой излучения индуктора без экрана, при удалении на 10см — на 80%.

В четвертом эксперименте с целью локализовать линии магнитной индукции в индуктор был вставлен металлический цилиндр длиной 9 см, диаметром 5 см и толщеной стенки 1 мм. Для простоты будем называть его 3D-экран см. (рисунок 5а). Он сравнивался с кольцевым индуктором на высоте 10 см от образца. Полученные данные представлены на рисунке 5б.

Рисунок 5 a) Индуктор вместе с 3D-экраном, б) сравнение простого индуктора и индуктора с 3Д-экраном.

В результате эксперимента было установлено, что при одинаковом расстоянии от образца лучшие результаты показывает индуктор с 3D-экраном. На расстоянии в 10 см от образца амплитуда сигнала от индуктора с 3D-экраном на 43% превышает амплитуду сигнала обычного кольцевого индуктора. Следовательно, при условии размещения индуктора не вплотную к пациенту, эффективно использовать 3D-экран. Однако, как показано выше, локализовалось излучения индуктора возрастает при приближении индуктора к образцу.

Учитывая это в пятом эксперименте были исследованы характеристики индукторов при максимальном приближении индукторов к образцу, для этого индуктор с 3Д-экраном был перевернут 3Д-экраном от образца.

Рисунок 6 а) картина поля кольцевого индуктора; б) картина поля, перевернутый 3Д-экран.

Как видно максимум излучения не совпадает с началом координат, это связанно с конфигурацией индуктора.

Рисунок 7 а) профиль полей,. зафиксирован OX, б) профиль полей,. зафиксирован OY.

Как видно из полученных данных индуктор с 3D-экраном увеличил локализовалось излучения индуктора. Для оценки характеристика излучения индуктора была принята значение ширины кривой на высоте 0,7 от максимального. Характеристика излучения кольцевого индуктора в среднем шире на 13% по сравнению с характеристикой излучения индуктора с 3D-экраном.

Заключение

В данной работе было проведено исследование распределения энергии импульсного магнитного поля в имитаторах биологической ткани, было показано, что для экранирования объектов достаточен размер экранов сопоставимый с размерами излучателя; что применение листовых экранов уменьшает локализацию магнитного поля индуктора; локализация магнитного поля сильно зависит от расстояния между индуктором и пациентом и следовательно при проведении терапевтических процедур важно обеспечить плотный контакт индуктора к пациенту; при условии размещения индуктора не вплотную к пациенту, представляется эффективным использовать 3D-экран. На расстоянии в 10 см от образца амплитуда сигнала от индуктора с 3D-экраном на 43% превышает амплитуду сигнала обычного кольцевого индуктора. Так же было показано что 3D-экран эффективен и вплотную к образцупри расстоянии между индуктором и образцом в 0,5 см характеристика излучения кольцевого индуктора в среднем шире на 13% по сравнению с характеристикой излучения индуктора с 3D-экраном.

[1] Новости медицины и формации [Электронный ресурс]. — Электронные данные. — Режим доступа: http://www.mif-ua.com/archive/article/3515.

[2] Wikipedia [Электронный ресурс]. — Электронные данные. — Режим доступа: wikipedia.org/wiki/Транскраниальная_магнитная_стимуляция.

[3] Barker AT, Jalinous R & Freeston I. 1985. Non-invasive magnetic stimulation of the human motor cortex. Lancet 1:1106−1107.

[4] Thielscher A, Kammer T. Linking physics with physiology in TMS: a sphere? eld model to determine the cortical stimulation site in TMS. Neuroimage 2002;17:1117−1130.

[5] Amassian VE, Eberle L, Maccabee PJ, Cracco RQ. Modeling magnetic coil excitation of human cerebral cortex with a peripheral nerve immersed in a brain-shaped volume conductor: the signi? cance of? ber bending in excitation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol 1992;85:291−301.

[6] Roth Y, Amir A, Levkovitz Y, Zangen A. Three-Dimensional Distribution of the Electric Field Induced in the Brain by Transcranial Magnetic Stimulation Using Figure-8 and Deep H-Coils. J Clin Neurophysiol. 2007 Feb;24(1):31−8.