СПОСОБ ТРАНСКРАНИАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ СТИМУЛЯЦИИ
METHOD OF TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION

Способ транскраниальной магнитной стимуляции Изобретение относится к области медицины, когнитивных технологий и смежных областей и предназначено для использования в терапии болезней нервной системы и заболеваний головного мозга, в технологиях активизации творческих способностей и восстановления утраченных функций сенсоров пациентов.
Известны различные способы и устройства транскраниальной магнитной стимуляции.
Известны способы транскраниальной магнитной стимуляции и устройства для его осуществления (см. патенты US 9352167 и US 20100113959), включающие проведение транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), при котором осуществляется пространственное суммирование магнитных потоков за счет множества электромагнитов, расположенных в пространстве вокруг головы реципиента на определенном шаге друг от друга и с числом обмоток на катушке от одного до двух.
Известен также способ транскраниальной магнитной стимуляции, включающий воздействие магнитным полем, формируемым катушками индукторов (см. патент US 20050228209), включающий перемещение одной и более катушек относительно зоны стимуляции, причем магнитные поля катушек воздействуют на зону стимуляции из нескольких точек, в результате суммарная энергия магнитного поля от катушек в зоне стимуляции больше, чем энергия магнитного поля в областях вблизи зоны стимуляции на том же расстоянии от катушки.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ транкраниальной магнитной стимуляции (см. патент RU №2654581), включающий воздействие на жестко зафиксированную в пространстве голову реципиента магнитным полем, формируемым двумя источниками магнитного поля, которые соединяют по магнитному потоку гибким магнитопроводом и перемещают вокруг головы реципиента по дуге окружности в произвольном направлении с равной их угловой скоростью и с возможностью поворота плоскости траектории источников магнитного поля вокруг горизонтальной оси, проходящей через зону стимуляции мозга и нормальной к вертикальной оси, проходящей через центр окружности, при этом центр вращения траектории перемещения источников магнитного поля проходит через зону стимуляции мозга.
Недостатком наиболее близкого к заявленному изобретению способа транкраниальной магнитной стимуляции является невозможность стимуляции отдельных зон головного мозга из-за наличия нулевого значения в векторе индукции магнитного поля, проходящего через зону стимуляции, а также недостаточная точность адресной стимуляции из-за направления каждого из осей источников магнитного поля по радиусу окружности, что приводит к формированию вектора индукции магнитного поля всей поверхностью рабочей части магнитопровода, что расширяет начальную часть вектора индукции магнитного поля.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение возможностей стимуляции всех разрешенных зон головного мозга и повышение его эффективности и точности.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, заключается в обеспечении в рабочем пространстве значений вектора индукции магнитного поля не равных нулю или близких к нулевому значению, что обеспечивает стимуляцию всех разрешенных зон головного мозга. Кроме того, обеспечиваются необходимые условия, при которых формируется узкое начало вектора индукции магнитного поля за счет обеспечения направлений осей каждого из источников магнитного поля, лежащих на одной общей оси, проходящей через зону стимуляции мозга, что повышает также эффективность и точность стимуляции.
Для решения поставленной задачи способ транскраниальной магнитной стимуляции, включающий воздействие магнитным полем, формируемыми двумя источниками магнитного поля, перемещаемыми вокруг головы реципиента с центром вращения траектории перемещения источников магнитного поля, проходящих через зону стимуляции мозга, отличается тем, что с помощью источников магнитного поля создают переменный по модулю и направлению вектор индукции магнитного поля с нулевым значением модуля вектора индукции магнитного поля, вынесенным за пределы возможных зон стимуляции, при этом, вектор индукции магнитного поля и ось каждой из источников магнитного поля совпадают по направлению и лежат на одной общей оси, проходящей через зону стимуляции мозга.
Примечание: За нулевое значение модуля вектора индукции магнитного поля принимается его значение на расстоянии, равно отстоящем от полюсов разноименных магнитов источников магнитного поля с равными магнитодвижущими силами. Источники магнитного поля с равными магнитодвижущими силами создают в рабочем пространстве устройства магнитное поле с разноименными полюсами: N1 и S2 (см. на фиг. 1).
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки, указывающие, что "с помощью источников магнитного поля создают переменный по модулю и направлению вектор индукции магнитного поля", обеспечивают стимуляцию зон мозга переменным магнитным полем, направленным вдоль вектора индукции магнитного поля.
Признаки, указывающие, что с помощью источников магнитного поля создают переменный по модулю и направлению вектор индукции магнитного поля "с нулевым значением модуля вектора индукции магнитного поля, вынесенным за пределы возможных зон стимуляции", обеспечивают стимуляции всех разрешенных зон головного мозга, за счет вынесения нулевого значения модуля вектора индукции магнитного поля за пределы рабочего пространства. При этом, обеспечивается в рабочем пространстве магнитное поле, состоящее только из северного, либо только из южного полюса источников магнитного поля, что обеспечивает, соответственно, либо только седативный, либо только активирующий эффекты в зонах стимуляции головного мозга.
Признаки, указывающие, что "вектор индукции магнитного поля и ось каждой из источников магнитного поля совпадают по направлению и лежат на одной общей оси, проходящей через зону стимуляции" обеспечивают необходимые и достаточные условия, при которых формируется узкое начало вектора индукции магнитного поля за счет обеспечения направления осей векторов индукции источников магнитного поля по одной оси, проходящей через зону стимуляции мозга, что повышает также точность стимуляции.
На фиг. 1 схематически показано перемещение источников магнитного поля; на фиг. 2 - схема основной части устройства; на фиг. 3 показан концентратор магнитного поля; на фиг. 4 - схема соединений обмоток катушек источников магнитного поля с источниками питания.
N
S
На фиг. 1: N и S - северный и южный полюсы катушек индукторов источников магнитного поля; МС - гибкие магнитопроводы; D1 и D2 - дуги окружности; О - центр окружности и начало координат в цилиндрической или сферической системе координат; B и B - векторы магнитной индукции источников магнитного поля N и S; В - вектор магнитной индукции (на схеме не показан); ZC, ZZ и ZD - соответственно, зона стимуляции, запрещенная и опасная зоны для стимуляции; α - угол поворота катушек индукторов; X-X, ось вращения поворотных платформ; Y-Y и Z-Z, соответственно, вторая горизонтальная и вертикальная оси; 1 и 2 - оси вращения источников магнитного поля (катушек индукторов);
На фиг. 2 показана схема основной части устройства: X-X, ось вращения поворотных платформ; 3 и 4 - подвижные плиты; 5, 6, 7 и 8 - вертикальные направляющие; 9, 10, 15, 16, 23 и 24 - двигатели; 11 и 12 - оси двигателей, соответственно, 9 и 10; 13 и 14 - поворотные платформы; 17 и 18 - кольца; 19 и 20 - упорные кольца; 21 и 22 - зона соприкосновения колец 17 и 18 с упорными кольцами 19 и 20; 1 и 2 - оси двигателей, соответственно, 23 и 24; 25 и 26 - устройство крепления магнитной системы; 27 и 28 -концентраторы магнитного поля.
На фиг. 3 показан концентратор магнитного поля в разрезе: ИП1 - источник питания; 29 - центральный магнитопровод; 30 - изоляционный слой; 31 - диэлектрическая накладка; 32 - магнитный материал с высокой магнитной индукцией насыщения; 33 - законцовка магнитопровода; 34 - рабочая поверхность концентратора магнитного поля; 35 - диэлектрическая вставка; 36 - обмотка катушки источника магнитного поля.
На фиг. 4 показана схема соединений обмоток катушек источников магнитного поля с источниками питания: 1а, 1б, 1в и 1г - источники питания; 2а, 26, 2в и 2г - схема выбора источников питания; 3а, 3б, 3в и 3г - схема изменения направления тока; 4а и 4б - схема задания источников питания и направлений тока в обмотках катушек источников магнитного поля; 5а и 5б - обмотки катушек источников магнитного поля.
N
S
N
S
На чертежах показаны: перемещение (см. фиг. 1. для случая стимуляции магнитным полем вектора индукции магнитного поля) источников магнитного поля с северным N и южным S полюсами катушек индукторов магнитного поля, связанные вне рабочего пространства устройства, гибким магнитопроводом (МС) и вектором магнитной индукции В (В=B+B, есть сумма векторов B и B формируются катушками индукторов) в рабочем пространстве устройства. Здесь, рабочее пространство устройства, это пространство, ограниченное областью перемещения вектора индукции В магнитного поля, сформированного источниками магнитного поля, и заданное в цилиндрической или сферической системе координат, в которое помещается голова реципиента. Для эффективной и точной стимуляции, во время перемещения катушек индукторов источников магнитного поля, обеспечивают, чтобы оси каждой из них лежали на одной общей оси, проходящей через зону стимуляции мозга. Для этого полюсы N и S катушек индукторов магнитного поля перемещаются по дуге окружности, соответственно, D1 и D2, с центром вращения, относительно точки О и вектора магнитной индукции В вокруг головы реципиента с центром вращения, проходящего через зону стимуляции ZC мозга, при этом, угол поворота катушек индукторов по дуге окружности D1 и D2 равен α, предельно допустимый по условиям технологичности и безопасности. Запрещенные ZZ и опасные ZD зоны, прохождение вектора индукции магнитного поля в которых, запрещено или опасно задаются в прямоугольной или сферической системе координат, при этом, в качестве оси X-X используется ось вращения поворотных платформ, проходящая (см. фиг. 2) через оси вращения, соответственно, 11 и 12 двигателей 9 и 10. Ось Y-Y проходит нормально к оси X-X и к вертикальной оси Z-Z (на чертежах не показано), проходящей через центр окружности О.
N
S
N
S
На фиг. 2 показана схема основной части устройства: X-X, ось вращения поворотных платформ, проходящая через зону стимуляции ZC и оси 11 и 12, соответственно, двигателей 9 и 10. Подвижные плиты 3 и 4 с установленными на них двигателями 9 и 10, перемещаются по вертикальным направляющим 5, 6, 7 и 8 (двигатели не показаны) до совмещения горизонтальной плоскости, через которую проходит ось X-X, с зоной ZC стимуляции мозга. Двигатели 9 и 10 посредством осей 11 и 12 обеспечивают поворот платформ 13 и 14 с установленными на них кольцами 17 и 18; Двигатели 15 и 16, закрепленные на платформе 13, предназначены для вращения колец 17 и 18 и обеспечивают возможность воздействия на объект стимуляции из разных точек пространства, при этом, упорные кольца 19 и 20, закрепленные на платформе 14, через зоны соприкосновения 21 и 22 колец 17 и 18, обеспечивают жесткость конструкции для точности позиционирования при стимуляции. Двигатели 23 и 24, закрепленные на кольцах 17 и 18, посредством осей 1 и 2 регулируют направления (см. фиг. 1) векторов индукции B и B магнитного поля и обеспечивают, чтобы векторы индукции B и B магнитного поля проходили через оси, соответственно, концентраторов 27 и 28 и лежали на одной общей оси, проходящей через зону стимуляции ZC. Устройства крепления магнитной системы 25 и 26 концентраторов 27 и 28 магнитного поля к осям, соответственно, 1 и 2 двигателей 23 и 24, обеспечивают поворот осей концентраторов 27 и 28 магнитного поля при вращении двигателей 23 и 24.
N
S
При транскраниальной магнитной стимуляции обеспечение вращения концентраторов 27 и 28 магнитного поля, при котором векторы индукции B и B магнитного поля проходили через оси, соответственно, концентраторов 27 и 28 и лежали на одной общей оси, проходящей через зону стимуляции ZC, приводит к формированию узкого начала вектора индукции В магнитного поля и, следовательно, к повышению эффективности и точности транскраниальной магнитной стимуляции.
На фиг. 3 показан концентратор магнитного поля, обеспечивающий повышение напряженности магнитного поля в усеченной части магнитной системы: ИП1 - источник питания катушки индуктора источника магнитного поля. Центральный магнитопровод 29 покрыт изоляционным материалом 30, защищающим центральный магнитопровод 29 от внешних воздействий. Диэлектрическая накладка 31 предназначена для удобства работы с центральным магнитопроводом 29. Магнитный материал 32 с высокой магнитной индукцией насыщения обеспечивает работу концентратора магнитного поля магнитной системы при высоких значениях напряженности магнитного поля. Законцовка магнитопровода 33 обеспечивает повышение напряженности магнитного поля в усеченной части конуса магнитной системы. Рабочая поверхность концентратора магнитного поля 34 обеспечивает на выходе напряженность магнитного потока, увеличенную на величину, пропорциональную отношению площадей поперечных сечений центрального магнитопровода 29 и усеченной части конуса. Диэлектрическая вставка 35 обеспечивает механическую прочность центрального магнитопровода 29 и обмотки катушки источника магнитного поля 36.
На фиг. 4 показана схема соединений обмоток катушек источников магнитного поля с источниками питания, состоящая из последовательно соединенных блока источников питания (1а, 1б, 1в и 1г), блока выбора источника питания (2а, 2б, 2в и 2г), блока изменения направлений тока (3а, 3б, 3в и 3г), блока задания источников питания и направлений тока в обмотках катушек источников магнитного поля (4а и 4б) и обмотки катушек источников магнитного поля (5а и 5б). Схема предназначена для создания переменного по модулю и направлению вектора индукции магнитного поля с нулевым значением модуля вектора индукции магнитного поля, вынесенным за пределы возможных зон стимуляции. Набор источников питания включает, например, 1а и 1б - источники прямоугольного импульсного напряжения положительной и отрицательной полярности, отличающиеся по модулю, не менее, чем в два раза, и 1в и 1г - источники переменного напряжения сдвинутые по фазе на 180 градусов, также отличающиеся по модулю, не менее, чем в два раза. Блок выбора источника питания (2а, 2б, 2в и 2г) состоит из четырех двухпакетных переключателей, каждая на восемь входов и обеспечивает на каждом выходе блока выбор любой из имеющихся источников питания. Блок изменения направлений тока (3а, 3б, 3в и 3г) состоит из четырех трехпозиционных переключателей, блок задания источников питания и направлений тока в обмотках катушек источников магнитного поля (4а и 4б) из двух двухпакетных переключателей, каждая на шестнадцать входов, обеспечивающих на выходе любой из заданных источников питания и направлений тока в обмотках катушек источников магнитного поля (5а и 5б). Набор источников питания прямоугольного импульсного напряжения положительной и отрицательной полярности, отличающиеся по модулю, не менее, чем в два раза, и источников переменного напряжения, сдвинутых по фазе на 180 градусов, также отличающихся по модулю, не менее, чем в два раза, позволяют создавать магнитные поля с переменным по модулю и направлению вектором индукции В магнитного поля с нулевым значением модуля вектора индукции В магнитного поля, вынесенным за пределы возможных зон стимуляции. Схема соединений обмоток катушек источников магнитного поля с источниками питания обеспечивает стимуляцию реципиента переменным по модулю положительным и/или отрицательным значениями вектора индукции магнитного поля.
В базовой конструкции все платформы 3, 4, 13 и 14, направляющие 5, 6, 7 и 8, кольца 17 и 18 выполнены из диэлектрического материала, например, из полиуретана. В качестве (см. фиг. 3) гибкого центрального магнитопровода 29 могут быть использованы наноразмерные частицы магнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллоя, метгласса или магнитный проводник, сплетенный из тонких нитей метгласса.
Транкраниальную магнитную стимуляцию осуществляют следующим образом.
Для транскраниальной магнитной стимуляции с помощью источников магнитного поля задают переменный по модулю и направлению вектор индукции магнитного поля с нулевым значением модуля вектора индукции магнитного поля, вынесенным за пределы возможных зон стимуляции. Для этого по схеме соединений обмоток катушек источников магнитного поля с источниками питания (см. фиг. 4) выбирают тип источника питания (блок выбора источника питания (2а, 2б, 2в и 2г)) и направление тока (блок изменения направлений тока (3а, 3б, 3в и 3г)) и задают источник питания и направление тока в обмотках катушек источников магнитного поля (в блоке 4а и 4б и блоке 5а и 5б). Как видно из схемы (см. фиг. 4), обмотки 5а и 5б катушек источников магнитного поля подключаются независимо друг от друга, при этом, одна из обмоток (5а или 5б) подключается к источнику по модулю, превышающую другую, не менее, чем в два раза. Для стимуляции магнитным полем переменного по модулю и направлению вектора индукции магнитного поля с нулевым значением модуля вектора индукции магнитного поля, вынесенным за пределы возможных зон стимуляции, обеспечивают превышение магнитодвижущих сил одного из источников магнитного поля над другим, не менее, чем в два раза. При этом, используют (см. фиг. 1) два источника магнитного поля, связанные гибким магнитопроводом, и перемещающиеся по дуге окружности, соответственно D1 и D2, с центром вращения, относительно точки О и вектора магнитной индукции В вокруг головы реципиента с центром вращения, проходящего через зону стимуляции мозга ZC в произвольном направлении относительно зоны стимуляции ZC на угол α, предельно допустимый по условиям технологичности и безопасности. Задают необходимый уровень напряженности магнитного поля Н и значение суммарной энергии Wh в зоне стимуляции ZC и их допустимые значения в запрещенных ZZ и опасных ZD зонах, по которым, определяются, соответственно, токи в катушках индукторов и продолжительность транскраниальной магнитной стимуляции.
Известными способами осуществляют привязку координат 3D индивидуальной модели головного мозга реципиента внутри устройства транкраниальной магнитной стимуляции. Для этого 3D индивидуальную модель головного мозга реципиента (NBS eXimia Nexstim) на основе магнитно-резонансной томограммы (МРТ) получают с привязкой к трем реперным точкам, размещенных предварительно перед МРТ на голове человека, например, на лбу и сосцевидных отростках. Далее, реперные точки 3D индивидуальной модели головного мозга привязывают к координатам рабочего пространства устройства путем преобразования координат 3D индивидуальной модели мозга к координатам рабочего пространства устройства. При этом необходимо обеспечить жесткую фиксацию головы в рабочем пространстве. Координаты, соответственно, зон ZC, ZZ и ZD в рабочем пространстве устройства задают, например, в сферической системе координат.
N
S
N
S
N
S
Далее, устанавливают начальные условия стимуляции (см. фиг. 2). Для этого подвижные плиты 3 и 4 с установленными на них двигателями 9 и 10, перемещают по вертикальным направляющим 5, 6, 7 и 8 (двигатели не показаны) до совмещения горизонтальной плоскости, через которую проходит ось X-X, с зоной ZC стимуляции мозга. Далее, поворачивают платформы 3 и 4 (двигатель не показан) до совмещения оси X-X, с зоной ZC стимуляции мозга. Включается выбранный тип источника питания с заданным направлением тока в катушках индукторов источников магнитного поля и заданным вектором индукции В магнитного поля. Двигателями 9 и 10 посредством осей 11 и 12 обеспечивают поворот вокруг оси X-X платформ 13 и 14 с установленными на них кольцами 17 и 18, при этом, двигатели 15 и 16, закрепленные на платформе 13, вращают кольца 17 и 18 и обеспечивают возможность воздействия на объект стимуляции из разных точек пространства. Во время поворота колец 17 и 18 двигатели 23 и 24, закрепленные на кольцах 17 и 18, посредством осей 1 и 2 регулируют направления (см. фиг. 1) векторов индукции B и B магнитного поля и обеспечивают, чтобы векторы индукции B и B магнитного поля проходили через оси, соответственно, концентраторов 27 и 28 и лежали на одной общей оси, проходящей через зону стимуляции ZC, лежащей на оси X-X. Регулирование направления векторов индукции B и B магнитного поля сводится, посредством двигателей 23 и 24, закрепленных на кольцах 17 и 18, к регулированию направления осей концентраторов 27 и 28 магнитного поля.
При воздействии на стимуляционные зоны структур мозга, имеющих парные органы, например, гипокамп, привязку координат 3D индивидуальной модели головного мозга реципиента внутри устройства транкраниальной стимуляции осуществляют также, как и при транкраниальной магнитной стимуляции и стимуляции ТГц излучением. Для установки начальных условий проецируют лишь контур изображения гипокампа на сагитальную плоскость путем задания множеством его координат, далее, ориентируют ось X-X в сагитальной плоскости, а плоскость колец 17 и 18 в аксиальной плоскости. Далее, устанавливают источники стимуляции (вектор магнитной индукции В или источник ТГц излучения) симметрично относительно сагитальной плоскости. Включают источник стимуляции и перемещают источник стимуляции внутри контура изображения гипокампа, по множеству заданных в сагитальной плоскости его координат.
По окончании воздействия на зону стимуляции мозга выключают ток в катушках индукторов (источниках магнитного поля) и источник ТГц излучения ТО, двигателями 9 и 10 устанавливают кольца 17 и 18 в горизонтальное положение (на фиг. 2 - параллельно плоскости чертежа) и поднимают платформы 3 и 4, после которого реципиент может выйти из рабочего пространства устройства.
Предложенный способ транскраниальной магнитной стимуляции позволяет обеспечить высокую технологичность, эффективность и точность адресной стимуляции всех разрешенных к стимуляции структур мозга. Способ может быть использован в терапии болезней нервной системы и заболеваний головного мозга, в технологиях активизации творческих способностей, ускорения и повышения когнитивных ресурсов для молодых и пожилых людей, восстановления утраченных функций и сенсоров пациентов.