Comparison of the induced fields using different coil configurations during deep transcranial magnetic stimulation

Lu, M.; Ueno, S.

Abstract:

Stimulation of deeper brain structures by transcranial magnetic stimulation (TMS) plays a role in the study of reward and motivation mechanisms, which may be beneficial in the treatment of several neurological and psychiatric disorders. However, electric field distributions induced in the brain by deep transcranial magnetic stimulation (dTMS) are still unknown. In this paper, the double cone coil, H-coil and Halo-circular assembly (HCA) coil which have been proposed for dTMS have been numerically designed. The distributions of magnetic flux density, induced electric field in an anatomically based realistic head model by applying the dTMS coils were numerically calculated by the impedance method. Results were compared with that of standard figure-of-eight (Fo8) coil. Simulation results show that double cone, H- and HCA coils have significantly deep field penetration compared to the conventional Fo8 coil, at the expense of induced higher and wider spread electrical fields in superficial cortical regions. Double cone and HCA coils have better ability to stimulate deep brain subregions compared to that of the H-coil. In the mean time, both double cone and HCA coils increase risk for optical nerve excitation. Our results suggest although the dTMS coils offer new tool with potential for both research and clinical applications for psychiatric and neurological disorders associated with dysfunctions of deep brain regions, the selection of the most suitable coil settings for a specific clinical application should be based on a balanced evaluation between stimulation depth and focality.

Patologie/Applicazioni:

• Dipendenze
• Depressione
• Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS)
• Parkinson
• Schizofrenia

Anno:

2017

Tipo di pubblicazione:

Articolo

Parola chiave:

stimolazione magnetica transcranica; TMS; coil; coil H; Coil HCA; deep TMS; TMS profonda

Testata scientifica:

Plos one

Mese:

06

Nota:

L’articolo di Lu e Ueno rappresenta un contributo significativo alla comprensione dei campi indotti da diverse configurazioni di coil impiegate nella stimolazione magnetica transcranica. Lo studio si concentra sul confronto tra coil a doppio cono, coil H e coil HCA, analizzandone le proprietà di distribuzione dei campi magnetici ed elettrici in un modello realistico di testa umana. L’interesse scientifico e clinico per la dTMS deriva dalla possibilità di stimolare regioni cerebrali profonde implicate in numerosi disturbi neuropsichiatrici tra cui depressione resistente, schizofrenia, malattia di Parkinson e dipendenze. Le configurazioni tradizionali di coil (figure 8) non consentono una stimolazione abbastanza profonda da stimolare adeguatamente alcune aree cerebrali, motivo per cui negli ultimi anni si sono sviluppati nuovi design in grado di stimolare più in profondità. Un dato di rilievo è che, alle profondità clinicamente più interessanti (30–60 mm), il coil a doppio cono e la H-coil producono volumi di tessuto stimolato simili, suggerendo un’efficacia comparabile nella modulazione dei circuiti profondi. Alle profondità maggiori (60–80 mm), il coil a doppio cono mantiene invece un vantaggio in termini di intensità del campo elettrico indotto, risultando quindi particolarmente idoneo alla stimolazione di regioni profonde. La ricerca conferma dunque che soluzioni tecniche alternative alla H-coil, come il doppio cono o geometrie con lobi inclinati, possono offrire prestazioni equivalenti o persino superiori nella stimolazione profonda, con implicazioni cliniche rilevanti per il trattamento di disturbi complessi e resistenti.

DOI:

10.1371/journal.pone.0178422