Влияние экранов на распределения импульсных магнитных полей при транскраниальной магнитной стимуляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Влияние экранов на распределения импульсных магнитных полей при транскраниальной магнитной стимуляции

И.В. Самуйлов, М. В. Давыдов,

М. Н. Кайдак, Сагай Маруф Газаль Гобад

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 10см 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 6см, 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 5см 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 5см и толщеной стенки 1 мм. Для простоты будем называть его 3D-экран см. (рисунок 5а). Он сравнивался с кольцевым индуктором на высоте 10см 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 10см 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 10см 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 образцу- при 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.

Литература

[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.

Размещено на Allbest.ru