经颅磁刺激的原理方法和应用
经颅磁刺激的基础知识及临床应用
经颅磁刺激的基础知识及临床应用一、内容概述你知道吗我们的大脑是一个神奇的存在，有时我们需要一些特殊的方法来刺激它，让它更好地工作。
今天我们要聊的经颅磁刺激，就是一种非常有趣且实用的技术。
首先经颅磁刺激是什么？简单来说就是通过磁场来刺激我们的大脑，这种刺激方法无痛、非侵入，相对安全并且可以有效地改变大脑的活动。
你可能会想，这听起来好像科幻电影里的情节，但实际上它已经在我们日常生活中得到了广泛应用。
那么经颅磁刺激是怎么工作的呢？我们知道大脑是由许多神经元组成的，这些神经元就像电线的电路一样，负责传递信息。
经颅磁刺激就是通过磁场产生电流，刺激这些神经元，从而改变大脑的功能。
这就像给大脑发送一个“重启”信号让它重新调整工作状态。
现在经颅磁刺激在医疗领域的应用越来越广泛，比如它可以帮助治疗抑郁症、焦虑症等精神类疾病。
通过刺激大脑，可以改善患者的情绪和精神状态。
此外它还在康复医学、神经系统疾病等领域发挥着重要作用。
甚至在一些认知功能提升方面，如记忆力、注意力等，经颅磁刺激也展现出了巨大的潜力。
经颅磁刺激是一种神奇且实用的技术，它让我们更好地了解大脑，并为其提供了一种新的干预方式。
随着科技的进步，相信经颅磁刺激会在更多领域得到应用，为我们的大脑健康提供更多帮助。
1. 经颅磁刺激（TMS）简介你是不是经常听到“经颅磁刺激”这个词感觉它很神秘，很专业？其实TMS并不是那么遥不可及。
简单来说经颅磁刺激是一种非侵入性的治疗方式，它通过产生强大的磁场来刺激我们的大脑。
这种磁场能够穿透头皮和颅骨，直接作用在大脑的神经元上，从而达到调节大脑功能的目的。
就像我们有时候给身体其他部分做理疗一样，TMS是在给大脑做“理疗”。
它不是用药，也没有副作用，是一种安全有效的治疗方法。
那么TMS是如何工作的呢？它的临床应用又是怎样的呢？让我们在接下来的内容中一一揭晓。
XXX的研究背景及意义TMS，也就是经颅磁刺激技术，听起来好像很高大上，但其实它在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。
经颅磁原理
经颅磁原理经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性的神经调控技术，它通过在头皮上施加变化磁场来激活大脑皮层神经元。
TMS的原理基于电磁感应定律，当磁场变化时，会在大脑皮层中产生感应电流，从而影响神经元的兴奋性。
在本文中，我们将详细介绍经颅磁刺激的原理和应用。
首先，让我们来了解一下TMS的工作原理。
TMS设备通过线圈产生变化磁场，当这个磁场与大脑皮层相交时，会引起神经元内外的电流变化，从而影响神经元的兴奋性。
具体来说，TMS可以通过两种方式影响神经元，一是直接激活神经元，二是通过长期效应改变神经元的兴奋性和抑制性。
在TMS中，磁场的方向和强度是非常重要的。
磁场的方向决定了激活的大脑区域，而磁场的强度则影响了激活的神经元数量。
因此，TMS可以通过调整磁场的方向和强度来实现对特定大脑区域和神经元的精准激活。
除了激活神经元，TMS还可以通过长期效应改变神经元的兴奋性和抑制性。
这是因为TMS可以改变神经元膜的极化状态，从而影响神经元的兴奋性。
通过长期应用TMS，可以实现对神经元活动的持久调节，从而产生治疗效果。
在临床应用中，TMS被广泛用于治疗抑郁症、精神分裂症、帕金森病等神经精神疾病。
通过对大脑特定区域的刺激，TMS可以调节神经元活动，从而缓解症状。
此外，TMS还被用于研究大脑功能和神经疾病的机制，为临床诊断和治疗提供重要信息。
总之，经颅磁刺激是一种非侵入性的神经调控技术，通过在头皮上施加变化磁场来激活大脑皮层神经元。
它的工作原理基于电磁感应定律，可以通过直接激活神经元和长期效应改变神经元的兴奋性和抑制性。
在临床应用中，TMS被广泛用于治疗神经精神疾病，同时也为大脑功能研究提供了重要工具。
希望本文能够帮助读者更好地理解经颅磁刺激的原理和应用。
经颅磁科普资料
经颅磁科普资料经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性的神经干预技术，用于治疗神经疾病和评估大脑功能。
它可以通过头皮传递高强度的磁场刺激，激发或抑制大脑神经元的活动。
这项技术已经被广泛应用于临床治疗和神经科学研究领域。
TMS的原理是利用电磁感应的原理，在大脑皮层中产生磁场。
磁场可以穿透头皮和颅骨，刺激大脑神经元的活动。
磁场强度和频率可以根据需要进行调节。
刺激的位置和方向可以通过改变磁圈的位置和方向来控制。
这种技术可以非常精确地定位和刺激大脑皮层中的特定区域。
TMS通常可以分为两种类型：单脉冲TMS和重复TMS。
单脉冲TMS是指以单个脉冲刺激大脑皮层的技术。
它通常用于研究大脑功能和评估神经疾病。
重复TMS是指以连续重复脉冲刺激大脑皮层的技术。
它通常用于治疗神经疾病，如抑郁症和焦虑症。
TMS可以用于治疗多种神经疾病，如抑郁症、焦虑症、帕金森病、癫痫等。
它可以通过刺激或抑制大脑神经元的活动来缓解症状。
例如，在抑郁症治疗中，TMS可以刺激前额皮质，提高患者的情绪和注意力水平。
除了临床治疗，TMS还可以用于神经科学研究。
它可以帮助我们了解大脑的功能和连接，并探索大脑与行为和认知的关系。
例如，TMS可以用于研究语言、注意力、感知和记忆等认知过程。
虽然TMS是一种非侵入性的技术，但它也有一些局限性。
它无法穿透颅骨下部，因此无法刺激深部结构，如大脑内部和脑干。
此外，由于刺激的位置和方向是通过改变磁圈的位置和方向来控制的，因此它的精度和可重复性可能会受到影响。
TMS是一种广泛应用于临床治疗和神经科学研究领域的非侵入性技术。
它可以通过刺激或抑制大脑神经元的活动来治疗神经疾病和评估大脑功能。
虽然它有一些局限性，但它在未来的神经科学研究和临床治疗中仍然具有广阔的应用前景。
经颅磁刺激仪工作原理及用途
经颅磁刺激仪工作原理及用途优瑞德经颅磁刺激仪是结合广大医务人员长期临床实践积累的宝贵经验，是以现代神经生物学、神经电生理学、生物物理学、磁生物学及临床脑病治疗学为基础，以脑生理学、脑电生理学、磁生物学和临床脑血管病治疗为基础，而开发研制的物理康复刺激仪。
该产品是应用负极性交变电场原理设计的可以直接作用于头部的脑病物理治疗设备，该设备突破了传统物理治疗因子不能透过颅脑屏障的难关，避免了传统物理治疗因子对脑组织的机械性震动和内热效应，用于继发性脑功能障碍患者的神经康复治疗收到了明显的治疗效果。
特别是可以在缺血性脑卒中病人发病早期应用，能够促进患者脑功能的实质性恢复，减少患者的残疾程度，NJK系列脑功能磁疗康复仪已成为脑缺血性、脑损伤性、神经衰弱、脑疲劳等脑血管病现代康复医疗中的重要手段。
经颅磁刺激仪结构形式为不可分拆的柜机推车式。
主要结构由主机、输出线、治疗帽组成。
治疗帽由六个磁疗体、连接带和引线连接组成。
六路输出，可同时治疗六个人，输出功率为100VA。
显示方式为液晶屏显示界面，按键方式为触摸式。
磁疗的强度分为2档，弱档为3mT-9mT，强档为10mT-17mT。
按摩振动强度4档可调，分别为关、弱、中、强。
磁疗和振动按摩功能可同时工作，也可分别工作。
定时的设置范围为0-99分钟，开机时默认20分钟的设定值。
一、产品型号及基本参数1、基本参数：(1)磁疗功能治疗强度分为2档，弱档3mT-9 mT ，强档10 mT -17 mT ;磁场频率50Hz±1Hz。
(2)振动按摩功能振动强度4档可调，分别为关、弱、中、强，四档对应的驱动电压脉冲峰峰值分别为0V、10V、16V、27V，精度±30%。
振动频率4档可调，分别为关、弱、中、强，四档对应的频率分别为0Hz、2Hz、5Hz、10Hz。
2、刺激仪仪正常工作条件：工作环境：温度5℃～40℃;相对湿度：10%～80%;大气压力：86Kpa～106Kpa电源电压：交流电压220V±10%;电源频率：50Hz±1Hz。
经颅磁刺激
技术原理
重复经颅磁刺激（rTMS）用于治疗主要是通过改变它的刺激频率而分别达到兴奋或抑制局部大脑皮质功能的 目的。
高频率、高强度rTMS，可产生兴奋性突触后电位总和，导致刺激部位神经异常兴奋，低频刺激的作用则相反， 通过双向调节大脑兴奋与抑制功能之间的平衡来治疗疾病。对rTMS刺激的局部神经通过神经络之间的和互相作用 对多部位功能产生影响；对于不同病人的大脑功能状况，需用不同的强度、频率、刺激部位、线圈方向来调整， 才能取得良好的治疗效果。
信息
随着技术的发展，具有连续可调重复刺激的经颅磁刺激（rTMS）出现，并在临床精神病、神经疾病及康复领 域获得越来越多的认可。它主要通过不同的频率来达到治疗目的，高频（>1Hz）主要是兴奋的作用，低频 （≤1Hz）则是抑制的作用。因其无痛、非创伤的物理特性，实现人类一直以来的梦想—虚拟地损毁大脑探索脑 功能及高级认知功能。与PET、FMRI、MEG并称为“二十一世纪四大脑科学技术”。
TMS可以治疗精神分裂症（阴性症状）、抑郁症、强迫症、躁狂症、创伤后应激障碍（PTSD）等精神疾病， 其中对抑郁症的治疗在美国已经通过FDA的认证，治愈率为20%，治疗有效率可以高达100%。在国内广州脑科医院、 湖南脑科医院、上海精神卫生中心、北京安定医院、北大六院等各大精神病医院都开展了相关治疗，并且在临床 上取得了可喜的成绩。
除了我们现有的应用之外，TMS独特的技术优势，使的在科研及成瘾戒毒等方面都有着广阔的空间。 科研课题有：TMS与情绪、疲劳、麻醉药物、认知研究、躯体感觉皮层、毒品、成瘾性等。
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经颅磁刺激
无痛、无创的绿色治疗方法
01 信息
03 技术分类 05 应用领域
目录
02 发展史 04 技术原理
经颅磁刺激在神经科学领域的应用现状与前景
经颅磁刺激在神经科学领域的应用现状与前景近年来，随着神经科学的迅速发展，经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，简称TMS）作为一种非侵入性的神经调控技术，在神经科学领域引起了广泛关注。
本文将介绍经颅磁刺激的原理、应用现状和潜在前景。
一、经颅磁刺激的原理经颅磁刺激是利用强磁场瞬时改变大脑神经元活动的一种方法。
通过在头皮上施加磁场脉冲，可以产生短暂的电流，进而引起脑内神经元的兴奋或抑制。
这一刺激作用是通过欧姆定律和电磁感应原理实现的。
二、经颅磁刺激的应用现状1.治疗抑郁症和焦虑症经颅磁刺激作为一种非药物治疗方法，被广泛应用于抑郁症和焦虑症的治疗。
通过对特定脑区进行刺激，可以调节神经元的活动，从而改善患者的情绪和心理状态。
2.研究认知和记忆经颅磁刺激在研究脑认知和记忆的过程中也发挥了关键作用。
通过刺激特定脑区，研究者可以探索不同神经元网络在认知任务中的功能和相互关系。
这有助于深入理解人类思维和记忆的机制。
3.治疗神经疾病除了抑郁症和焦虑症，经颅磁刺激还被运用于治疗其他神经疾病，如帕金森病、失眠症和脑卒中后遗症等。
通过改变相关脑区的活动，可以减轻患者的症状并提高生活质量。
4.探索大脑的功能定位经颅磁刺激还被用于探索大脑的功能定位，以便开展神经外科手术前的定位和评估工作。
通过刺激特定脑区，研究者可以确定脑功能区域的具体位置和功能。
三、经颅磁刺激的未来前景1.个体化治疗随着对大脑结构和功能的深入研究，未来的经颅磁刺激技术将更加个体化。
通过结合个体的脑图谱和脑电图等数据，可以为患者提供更精确的治疗方案。
2.神经皮层刺激的发展神经皮层刺激是经颅磁刺激的一种变种，可以更准确地刺激大脑表面的特定区域。
未来的研究将更加关注神经皮层刺激的发展，以实现更精确和有效的神经调控。
3.脑机接口技术的结合脑机接口技术和经颅磁刺激的结合有望在康复和治疗领域发挥重要作用。
这种结合可以实现大脑与外部设备的直接交互，对失能患者的康复和神经疾病的治疗具有巨大潜力。
经颅磁刺激(TMS)简介与应用
功能区定位方法
FUNCTION MAPPING
经颅磁刺激（TMS）简介和应用
重复刺激-常规TMS与模式化TMS
常规 每次治疗1000-3000脉冲
花样、模式化
经颅磁刺激（TMS）简介和应用
副作用
诱发癫痫 短暂狂躁
晕厥
短暂头痛 短时听力改变 损坏颅内设备
头皮电极烧伤 大脑结构改变 组织毒素 其他瞬时效应
• TMS是唯一的科研、诊断、治疗设备，具有高度 因果分辩率
• TMS影响到神经科学中：分子、突触、细胞、网 络、脑区、系统、行经颅为磁刺的激（各TMS个）简层介和次应用
国内将出版的第一部TMS专业书
经颅磁刺激（TMS）简介和应用
TMS背景 - 简史
1781,意大利解剖学家Galvani发现生物电
经颅磁刺激（TMS）简介和应用
刺激模式和频率对BDNF的影响
经颅磁刺激（TMS）简介和应用
TMS诱发大脑共振频率
脑电图EEG由大脑皮层神经的突触后电位组成，其振荡周期与神经回路、不应期、 代谢、同步化有关。根据脑电图频率可推算TMS频率及刺激作用 大脑基本振荡频率：睡眠时慢波－δ(delta)波，频率为4Hz以下， α(alpha)波，频率为8－13Hz,清醒安静闭目时即出现， β(beta)波约14－30Hz，睁眼经，颅情磁刺绪激紧（张TM、S）焦简虑介剧和应增用多。神经元兴奋性增高，
经颅磁刺激（TMS）简介和应用
二、TMS使用参数
1，TMS术语与使用方法
2，TMS参数设置：强度、频率、 刺激、刺激时间、间歇时间。
3，TMS副作用， 安全指南： 1996年美国与2008年意大利制定
经颅磁刺激（TMS）简介和应用
TMS使用 - 手持式单刺激
经颅磁刺激的原理方法和应用-经颅磁电疗仪
经颅磁刺激的原理方法和应用关键词: 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)可以由下式获得若兴奋性组织的电导率为那么时变磁场感应的电流密度J 为J= E (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1.5~3TTMS 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.(WhitlandUK)和Medtronic Dantec NeuroMuscular(Skovlunde Denmark) 其它有日本的NihonKohden Company 德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300s 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)(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15~30H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)为其中n 为线圈的匝数Ci 是沿第i 匝线圈的积分路径为被磁刺激组织的导磁率Ri 为场点与电流元点之间的距离四磁刺激仪的应用早期TMS 主要在神经科学领域应用主要通过刺激运动皮质神经和记录运动皮质诱发电位(MEPs)检测和诊断中枢神经皮质下行路径的传导和大脑运动皮质的功能影像近几年随着脑科学研究的深入在基础研究方面对TMS 的兴趣也迅速增加TMS 和rTMS 也用于探索皮质兴奋性和皮质内连接研究皮质信息处理方面的机制这包括感觉和认识功能如瞬间抑制某些感觉传入暂停讲话诱导语言记忆错误消弱学习能力由于rTMS 能够兴奋和抑制某些皮质区rTMS 很可能成为一种潜力巨大的治疗某些精神异常和神经疾病的治疗工具1. 临床应用自从第一次TMS 研究出现以来临床应用的焦点一直集中于测量可兴奋性阈值和运动神经缺陷病人的运动神经传导多发性硬化症运动神经疾病和颈椎病患者在临床条件下使用TMS 检查时显示出被改变的可兴奋性阈值和响应潜伏期尽管TMS 已经提供了许多疾病的重要信息但是至少在目前TMS 由于缺乏灵敏性它的诊断价值是有限的TMS 可以获得运动神经缺陷的客观证据中风头和脊髓损伤者常有运动神经缺陷常规的检查是由CT 和MRI 获得解剖证据和累积急症临床证据TMS是一种廉价快速的诊断方法可以获得锥体束损伤严重程度的客观证据这是补充CT 和MRI 证据还有证据说明TMS 响应可以反映早期中风或中风恢复的预后对需要做脑手术的患者TMS 可以提供一种功能定位重要皮质区的快速低廉方法同样rTMS 可以用舌边音讲话尽管可靠性令人置疑TMS 在药物研究中也显示出潜力TMS 相关的指标例如皮质反应性兴奋和抑制响应的空间时间变化可以给出药物功能效率的意想不到的证据2. 脑基础研究的应用在认识和行为科学中使用TMS 可以非侵入地关闭特定皮质区的功能产生暂时的人工可逆损伤这样可以辨识对参与给定任务非常重要的大脑区如语言记忆区早期这样的研究局限于动物或病理个人也有人用TMS 研究大脑如何处理外部输入信息因为TMS 可以干扰相关的信号阻碍外部输入信息处理的进行但是TMS 也可以干扰不相关和竞争性信号促进处理进行TMS 也已经用于一些开创性研究工作中包括研究物体和空间在记忆中的编码视径探索语言发生和胼胝体连接; 研究中风或截肢患者以及正常志愿者皮质解剖的可塑性(Plasticity) 使用rTMS 发现盲人视觉皮质区也处理功能上相关信息3. 治疗应用许多精神疾病可以归咎于某些大脑区域的异常行为从细胞水平看一些精神疾病的产生是由于一些神经细胞兴奋阈值的改变有些精神疾病是由于神经细胞兴奋阈值降低有些是由于神经细胞兴奋阈值升高所以通过改变细胞兴奋性是成功治疗一些精神疾病的关键另外有些神经疾病也发现是神经细胞兴奋性异常所致正是基于对这些疾病发病机制的深刻认识rTMS 显示出它在精神疾病治疗上的潜力治疗应用正在神经科学领域全面展开在精神疾病治疗方面已有报道使用rTMS 治疗抑郁症精神分裂症妄想强迫症的研究对于耐药的精神疾病患者rTMS 是一种无创治疗方法在神经科学领域由于rTMS 可以抑制和加速运动使用rTMS 有复位Parkinson 病的动作震颤和减少多发性硬化症的痉孪另外据推测1Hz rTMS 可能对产生癫痫区的异常兴奋阈值有使其正常化的影响尽管rTMS 在治疗上有令人鼓舞的结果它的功效到目前为止在临床上还没有证明因为如何评价它的功效也是一个争论的问题然而rTMS 可能是电惊厥疗法(Electro-Convulsive Therapy ECT)的挑战者五结束语TMS 是根据在脑外头皮上产生时变强磁场在脑内感应出电场直接调控未损伤大脑的一项无创新技术迅速的应用研究显示出发展前景但它也存在一些缺点如聚焦性不好这样很难确定和控制刺激点进行有选择地刺激; 磁刺激仪功耗大有待于优化; 由于TMS 涉及高压大电流它还存在安全性问题根据一般安全要求目前认为单脉冲TMS 是安全的然而高频TMS 可能有不希望的效果(疾病发作肌肉收缩引起的疼痛叫喊和瞬间偏盲) 现在需要有统一的使用TMS 和rTMS 指南TMS 进一步发展一方面依赖于磁刺激仪技术本身的完善另一方面要深入进行磁刺激原理研究和扩大临床应用。
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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 tt 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1ω=LR 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),(ii 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为被磁刺激组织的导磁率R i为场点与电流元点之间的距离四磁刺激仪的应用早期TMS主要在神经科学领域应用主要通过刺激运动皮质神经和记录运动皮质诱发电位(MEPs)检测和诊断中枢神经皮质下行路径的传导和大脑运动皮质的功能影像近几年随着脑科学研究的深入在基础研究方面对TMS的兴趣也迅速增加TMS和rTMS也用于探索皮质兴奋性和皮质内连接研究皮质信息处理方面的机制这包括感觉和认识功能如瞬间抑制某些感觉传入暂停讲话诱导语言记忆错误消弱学习能力由于rTMS能够兴奋和抑制某些皮质区rTMS很可能成为一种潜力巨大的治疗某些精神异常和神经疾病的治疗工具1. 临床应用自从第一次TMS研究出现以来临床应用的焦点一直集中于测量可兴奋性阈值和运动神经缺陷病人的运动神经传导多发性硬化症运动神经疾病和颈椎病患者在临床条件下使用TMS检查时显示出被改变的可兴奋性阈值和响应潜伏期尽管TMS已经提供了许多疾病的重要信息但是至少在目前TMS由于缺乏灵敏性它的诊断价值是有限的TMS可以获得运动神经缺陷的客观证据中风头和脊髓损伤者常有运动神经缺陷常规的检查是由CT和MRI获得解剖证据和累积急症临床证据TMS是一种廉价快速的诊断方法可以获得锥体束损伤严重程度的客观证据这是补充CT和MRI证据还有证据说明TMS响应可以反映早期中风或中风恢复的预后对需要做脑手术的患者TMS可以提供一种功能定位重要皮质区的快速低廉方法同样rTMS可以用舌边音讲话尽管可靠性令人置疑TMS在药物研究中也显示出潜力TMS相关的指标例如皮质反应性兴奋和抑制响应的空间时间变化可以给出药物功能效率的意想不到的证据2. 脑基础研究的应用在认识和行为科学中使用TMS可以非侵入地关闭特定皮质区的功能产生暂时的人工可逆损伤这样可以辨识对参与给定任务非常重要的大脑区如语言记忆区早期这样的研究局限于动物或病理个人也有人用TMS研究大脑如何处理外部输入信息因为TMS可以干扰相关的信号阻碍外部输入信息处理的进行但是TMS也可以干扰不相关和竞争性信号促进处理进行TMS也已经用于一些开创性研究工作中包括研究物体和空间在记忆中的编码视径探索语言发生和胼胝体连接; 研究中风或截肢患者以及正常志愿者皮质解剖的可塑性(Plasticity)使用rTMS发现盲人视觉皮质区也处理功能上相关信息3. 治疗应用许多精神疾病可以归咎于某些大脑区域的异常行为从细胞水平看一些精神疾病的产生是由于一些神经细胞兴奋阈值的改变有些精神疾病是由于神经细胞兴奋阈值降低有些是由于神经细胞兴奋阈值升高所以通过改变细胞兴奋性是成功治疗一些精神疾病的关键另外有些神经疾病也发现是神经细胞兴奋性异常所致正是基于对这些疾病发病机制的深刻认识rTMS显示出它在精神疾病治疗上的潜力治疗应用正在神经科学领域全面展开在精神疾病治疗方面已有报道使用rTMS治疗抑郁症精神分裂症妄想强迫症的研究对于耐药的精神疾病患者rTMS是一种无创治疗方法在神经科学领域由于rTMS可以抑制和加速运动使用rTMS有复位Parkinson病的动作震颤和减少多发性硬化症的痉孪另外据推测1Hz rTMS可能对产生癫痫区的异常兴奋阈值有使其正常化的影响尽管rTMS在治疗上有令人鼓舞的结果它的功效到目前为止在临床上还没有证明因为如何评价它的功效也是一个争论的问题然而rTMS可能是电惊厥疗法(Electro-Convulsive Therapy ECT)的挑战者五结束语TMS是根据在脑外头皮上产生时变强磁场在脑内感应出电场直接调控未损伤大脑的一项无创新技术迅速的应用研究显示出发展前景但它也存在一些缺点如聚焦性不好这样很难确定和控制刺激点进行有选择地刺激; 磁刺激仪功耗大有待于优化; 由于TMS涉及高压大电流它还存在安全性问题根据一般安全要求目前认为单脉冲TMS是安全的然而高频TMS可能有不希望的效果(疾病发作肌肉收缩引起的疼痛叫喊和瞬间偏盲)现在需要有统一的使用TMS和rTMS指南 TMS进一步发展一方面依赖于磁刺激仪技术本身的完善另一方面要深入进行磁刺激原理研究和扩大临床应用(全文完)。