经颅磁刺激的原理方法和应用

µ 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
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
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
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
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
ω2 =
1 R − LC 2 L
2
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~ 30 µ H 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 & & n & & I (t )ds × Ri µ B(r , t ) = ∑ ∫ ci B(r t)=S Ci (5) Ri2 i = 0 4π 其中 n 为线圈的匝数 Ci 是沿第 i 匝线圈的积分路径
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
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
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 300 µ s 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 2 −ω1t ω 1 I(t)=VC ω 2 e − 1 sinh(ω 2 t ) 2e-w1 (3) ω2 2 R R 1 ω1 = ω2 = − 其中 2L LC 2L (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 2 −ω1t ω 1 I(t)=VC ω 2 e + 1 sin(ω 2 t ) (4) ω2 其中 R ω1 = 2L
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 & & & & ∂B(r , t ) ∇ × E (r , t ) = − (1) ∂t 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= σ E (2)
早期 TMS 主要在神经科学领域应用
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
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