经颅磁刺激的原理方法和应用

经颅磁刺激的原理方法和应用

乔清理王明时田心

本文作者乔清理先生天津大学精密仪器与光电子工程学院生物医学工程系博士

生工程师王明时先生天津大学生命科学与工程研究院副院长教授博士

生导师田心女士天津医科大学生物医学工程系教授

关键词: 经颅磁刺激线圈感应电场

一引言

大脑是人体活动的中枢系统感觉系统输入的信息经过它的处理来支配人的行为大脑是复杂的各个学科从不同角度对它有不同的描述而且积累了大量

的资料对损伤大脑的临床研究尸体解剖学比较以及医学成像使我们对大脑的

形态有了较为清楚的认识但是到目前为止对大脑如何工作即脑功能的了解还不完全; 大脑工作出现异常也是束手无策80年代末为了更好地利用大脑和保护大脑健康掀起了脑科学研究热潮经颅磁刺激正是在这情况下出现并正走向成熟的一种认识调节和干预大脑的新方法

了解脑功能的基本原则是通过外界刺激大脑然后检测大脑对外界刺激的响应为了解这些脑组织的生理功能和治疗相应的疾病传统的直接电刺激在临床试验治疗中被广泛地应用然而直接电刺激(如使用表面电极或针电极)具有

创伤性会给受试者造成不适的感觉因而在临床上的应用受到了限制; 而且使用电流刺激中枢神经系统时由于颅骨的存在使刺激电流有较大的衰减深部

组织难以得到刺激

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation简称TMS)是使用脉冲磁场影响脑的电活动的方法在 1985年英国Sheffield 研究人员成功地进行了经颅

磁刺激并进行首次临床检查结果证明TMS可用于探查运动神经路径: 对健康人刺激运动皮质可以见到手肌肉有大约25ms的抽动; 而对有神经疾患的人刺激运动皮质显示出较慢的传导TMS的另一个重要特点是无创伤性受试者不会有头皮被刺的不舒适感觉这个令人鼓舞的结果促使TMS的商品化一种新

的脑刺激方法经颅磁刺激从此受到人们的不断关注

二磁刺激的基本原则

细胞膜保持一个电位差静态细胞的跨膜电位差是-70mV(细胞内更负)外加电场叠加到细胞膜两侧可以改变细胞膜电位差因此外加电场能够除极化细胞膜激活可兴奋性组织如神经利用电磁感应的原理可以产生适合于神经刺激的电场而且具有非侵入性在TMS 时激活的源泉是时变磁场在组织内的感应电场(如图1所示)根据Faraday 定律时变磁场B(r t)在组织内矢径为r 的任一点处的感应电场E(r t)可以由下式获得 t

t r B t r E ∂∂−=×∇),(),(&&&& (1) 若兴奋性组织的电导率为σ那么时变磁场感应的电流密度J 为 J=σE (2) 从理论上根据磁场产生的方法和磁刺激的部位如头部建立组织模型利用式(1)和(2)可以计算出所刺激部位的电场(或电流密度)分布从而寻找最佳刺激方案确定磁刺激点或利用理论分析结果优化磁刺激仪设计

使用TMS 的脑刺激是在脑外头皮上产生强磁场脉冲实现的磁场脉冲在脑内感应出电场当感应电流超过神经组织兴奋阈值时磁刺激就像电刺激一样刺激相应部位的组织磁场感应的电场激活皮质神经元需要的磁场强度在1.5~3T TMS 既可以兴奋皮质又可以干扰它的功能已观察到的兴奋效应通常是肌肉抽动或光幻觉(Phosphenes); 而损伤(Lesion)模式TMS 可以瞬间抑制感觉或干扰任务执行

三 磁刺激仪的基本原理和现状

磁刺激仪有两种类型: 单脉冲磁刺激仪和重复脉冲TMS(rTMS)磁刺激仪后者可以产生1~60Hz 的刺激群目前商品化的磁刺激仪在全球使用的有数千台

国内也已经研制出单脉冲磁刺激仪但没有商品化国外主要有三个刺激仪生产厂: Cadwell Laboratories Inc.(Kennewick USA)Magstim Company Ltd.(Whitland UK)和Medtronic Dantec NeuroMuscular(Skovlunde Denmark)其它有日本的Nihon Kohden Company 德国Schwarzer GmbH Ba rmannstr 尽管产生磁场的方法有

很多由于磁刺激所要求的磁场强度和刺激对象的要求现有的磁刺激仪产生磁场的方法都一样均采用线圈磁刺激仪由两部分组成(如图2): 产生快速变化电流的电路部分和产生时变磁场的线圈两者通过电缆连接磁刺激皮质时可以

手持线圈置于被刺激部位头皮之上 磁刺激仪电路原理如图2所示它由储能电容器组C 线圈和一个控制电容放电的可控硅开关组成R 表示线圈连接部件以及电缆的电阻事实上它是

一个R L C 串联二阶电路包含有电感和电容两个储能元件磁刺激前电容C 充电到初始电压V(在2~3kV 范围)

磁刺激时选通可控硅使其导通电容快速放电产生一电流脉冲波形通常是一个阻尼正弦脉冲持续时间300µs 浪涌峰值达到5~10kA 电流使线圈产生强大的时变磁场D 是一个续流二极管起着保护电容的作用电阻r 一方面保护二极管D 另一方面控制电流的波形根据克希霍夫定律可以计算流过线圈的电流目前的磁刺激仪电流脉冲特性各个厂家有所不同

根据功率和脉冲频率要求电流脉冲波形有三种

(1) 单相电流脉冲快速从零升至峰值然后逐渐降至零; 电路工作于过阻尼状态流过线圈的电流I(t)为 I(t)=VC )sinh(1221221t e t ωωωωω − −2e-w1 (3) 其中L R 21=ω LC L R 1222−

=ω (2) 双相电流脉冲是一个周期阻尼正弦波脉冲

(3) 多相电流脉冲是多周期阻尼正弦波脉冲产生双相或多相电流脉冲时电路工作于欠阻尼状态流过线圈的电流I(t)为

I(t)=VC )sin(1222121t e t ωωωωω +

−

(4)

其中

1

ω=L

R 2 2221 −=L R LC ω 磁刺激仪的关键部件是线圈由于时变磁场是由线圈上各个电流元产生磁场的叠加所以线圈的几何形状决定了所产生场的分布和特点目前商品化的磁刺激仪采用的刺激线圈基本形状有圆形和八字形可以证明八字形线圈较圆形线圈有较好的聚焦性各个厂家也有改进的圆形和八字形线圈Cadwell 的一些线圈有一个矩形边的水滴状但这种形状的线圈的优点在哪里是值得讨论的Magstim 的线圈是两翼成一角度的八字锥形即八字线圈的每一翼是圆锥状而且线圈的两翼为了适合于刺激头成一角度Dantec 公司也有类似的圆环锥形线圈线圈的直径50~150mm 一般使用铜线绕成10~30匝同心线圈线圈的电感在15~ 30µH

若流入线圈的电流为I(t)

Ids 为线圈中任一电流元则根据Biot-Savart 定律在大脑内部矢径为r 的任一点处由线圈产生的时变磁感应B(r t)为 ∫∑×==20)(4),(i

i c n i R R s d t I t r B i &&&&πµB(r t)=S Ci (5)

其中n 为线圈的匝数C i 是沿第i 匝线圈的积分路径µ为被磁刺激组织