DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58095-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40108144
تاريخ النشر: 2025-03-19
المؤلف: Zihui Qi وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة
نظرة عامة
التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة المتكرر (rTMS) هو أداة قيمة لعلاج الاضطرابات النفسية العصبية ودراسة وظيفة الدماغ؛ ومع ذلك، فإن تطبيقه على نطاق واسع قد تم عرقلته بسبب الحجم الكبير واستهلاك الطاقة العالي للأجهزة الحالية. تتناول هذه الأبحاث هذه القيود من خلال تقديم جهاز rTMS قابل للارتداء وخفيف الوزن يعمل بالبطارية، والذي يجمع بين تصاميم مبتكرة للملف المغناطيسي وتقنيات قيادة نبضات عالية الكثافة. يزن الجهاز الناتج 3 كجم فقط ويعمل عند 10% من استهلاك الطاقة للأجهزة التقليدية بينما يحافظ على كثافة التحفيز وتكرار مماثلين.
تم إثبات فعالية هذا الجهاز المحمول rTMS أثناء المشي الحر، مما يكشف أن النشاط العصبي المرتبط بحركة الساق يمكن أن يعزز من قابلية الإثارة القشرية في الذراعين. تسهل هذه التطورات تعديل rTMS عالي التردد في البيئات الطبيعية، مما يسمح بعلاج مريح في المنازل والمجتمعات. إن تطوير مثل هذا الجهاز أمر حيوي لتعزيز المرونة العصبية أثناء إعادة التأهيل وتحسين الالتزام بالعلاج للاضطرابات النفسية العصبية، مما يعالج قيود أساليب rTMS الحالية المعتمدة على المستشفيات. بشكل عام، تمثل هذه الأبحاث خطوة مهمة نحو جعل rTMS أكثر وصولاً وفعالية لتطبيقات متنوعة.
الطرق
يستعرض قسم “الطرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة للتحقيق في سؤال البحث. يوضح معايير اختيار المشاركين، والإجراءات المحددة المتبعة أثناء جمع البيانات، والأدوات المستخدمة للقياس. استخدمت الدراسة نهجًا كميًا، مستفيدة من التحليلات الإحصائية لتفسير البيانات المجمعة، مما يضمن موثوقية وصدق النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، يصف القسم النماذج الرياضية والمعادلات المطبقة لتحليل العلاقات بين المتغيرات. على سبيل المثال، إذا كانت الدراسة تتضمن تقييم تأثير المتغير $X$ على النتيجة $Y$، فإن الطرق ستشمل تحليل الانحدار، والذي يمكن تمثيله كـ $Y = \beta_0 + \beta_1 X + \epsilon$، حيث $\beta_0$ هو التقاطع، و$\beta_1$ هو معامل $X$، و$\epsilon$ يمثل مصطلح الخطأ. يضمن الصرامة المنهجية أن تساهم النتائج بشكل ذي مغزى في مجموعة المعرفة الحالية في هذا المجال.
النتائج
تظهر النتائج تطوير جهاز rTMS قابل للارتداء جديد، يسمى rTMS-tiny، والذي يتكون من محفز مغناطيسي صغير يعمل بالبطارية وملف مغناطيسي خفيف الوزن على شكل 8. يزن الملف المغناطيسي 1.7 كجم، مع متوسط قطر للملف يبلغ 63 مم وقطر خارجي يبلغ 78 مم، بينما يقيس المحفز 17 سم × 14 سم × 6 سم ويزن 1.3 كجم. يولد نبضات ثنائية الطور جيبية الشكل بعرض نبضة يبلغ 348 ميكروثانية ويحقق كثافة تدفق مغناطيسي قصوى تبلغ 1.2 تسلا، قادرًا على تقديم تكرار نبض يصل إلى 100 هرتز عند 55% من أقصى خرج للمحفز (MSO).
تحت ظروف درجة حرارة الغرفة القياسية، حافظ الملف على درجة حرارة 36.1 °م بعد إعطاء 3000 نبضة عند 10 هرتز و70% MSO، مما يدل على إدارة حرارية فعالة. يتم تشغيل الجهاز بواسطة بطارية ليثيوم 18 فولت 2200 مللي أمبير في الساعة، مما يسمح بتقديم 8200 نبضة عند 70% MSO لتطبيق rTMS عند 10 هرتز. يسهل التصميم التثبيت الآمن على الرأس باستخدام حزام مرن ووسادة فوم، مما يعزز الراحة والثبات. بالإضافة إلى ذلك، يتم دعم الوضع بواسطة غطاء EEG 10-20، مستهدفًا القشرة الحركية الأولية اليسرى (M1) عند C3. تتيح قابلية النقل وسهولة الاستخدام لجهاز rTMS-tiny تعديل الأعصاب أثناء أنشطة وإعدادات متنوعة، مما يوسع من التطبيقات المحتملة لـ rTMS في البيئات السريرية والمجتمعية.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على تطوير وأداء ملف T2-Bent-D63 المنحني المزدوج-T، الذي يتناول التحديات المتعلقة بتحقيق استهلاك منخفض للطاقة ووزن خفيف في أجهزة التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة المتكرر (rTMS). قدم عباسي وآخرون ملفًا خفيف الوزن على شكل 8 يحفز مجالًا كهربائيًا قدره 87 فولت/متر عند عمق 1.5 سم، لكن الملفات الأصغر عادة ما تؤثر على كثافة التحفيز. يجمع ملف T2-Bent-D63، بقطر 63 مم ووزن 1.2 كجم، بين مزايا الملفات المغناطيسية وملفات المخروط المزدوج، محققًا توفيرًا للطاقة بنسبة 73% مع تعزيز عمق الاختراق والحفاظ على الخصائص البؤرية. أظهرت المحاكاة الكهرومغناطيسية أن الملف يمكن أن يحفز قوة مجال كهربائي تصل إلى 141 فولت/متر، وهو ما يعادل تقريبًا 94% من أداء ملف Magstim D70.
تم تصميم المحفز rTMS-tiny، المدعوم بملف T2-Bent-D63، لإنتاج خرج عالي التردد وقابلية النقل، حيث يزن 1.3 كجم فقط. يستخدم محول DC/DC عالي الكثافة لتحقيق خرج قدره 1600 فولت و500 مللي أمبير، مع أقصى طاقة تبلغ 800 واط وكثافة طاقة تبلغ 5.6 واط/سم³. أظهرت اختبارات الأداء أن نظام rTMS-tiny يمكنه تقديم كثافات تحفيز مماثلة لنظام Magstim، مع فقدان طاقة ضئيل وعمليات فعالة. يدعم الجهاز أنماط تحفيز متنوعة ويحافظ على مستويات حرارة آمنة أثناء التشغيل، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات القابلة للارتداء. كما قامت الدراسة بالتحقق من فعالية rTMS-tiny في استثارة إمكانات حركية مستحثة (MEPs) في البشر، مما يشير إلى أن أقصى كثافة تحفيز له تبلغ حوالي 90-100% من تلك الخاصة بنظام Magstim، مما يؤكد إمكانيته للاستخدام العملي في علاجات التحفيز العصبي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58095-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40108144
Publication Date: 2025-03-19
Author(s): Zihui Qi et al.
Primary Topic: Transcranial Magnetic Stimulation Studies
Overview
Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is a valuable tool for treating neuropsychiatric disorders and studying brain function; however, its widespread application has been hindered by the large size and high power consumption of existing devices. This research addresses these limitations by introducing a lightweight, battery-powered wearable rTMS device, which combines innovative magnetic core coil designs with high-power-density pulse driving techniques. The resulting device weighs only 3 kg and operates at 10% of the power consumption of traditional rTMS devices while maintaining comparable stimulus intensity and frequency.
The effectiveness of this portable rTMS device was demonstrated during free walking, revealing that neural activity related to leg movement can enhance cortical excitability in the arms. This advancement facilitates high-frequency rTMS modulation in natural settings, allowing for convenient treatment in home and community environments. The development of such a device is crucial for enhancing neuroplasticity during rehabilitation and improving treatment adherence for neuropsychiatric disorders, addressing the limitations of current hospital-based rTMS approaches. Overall, this research represents a significant step toward making rTMS more accessible and effective for diverse applications.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental design and analytical techniques employed to investigate the research question. It details the selection criteria for participants, the specific procedures followed during data collection, and the tools utilized for measurement. The study employed a quantitative approach, utilizing statistical analyses to interpret the data collected, ensuring the reliability and validity of the results.
Additionally, the section describes the mathematical models and equations applied to analyze the relationships between variables. For instance, if the study involved assessing the impact of variable $X$ on outcome $Y$, the methods would include regression analysis, potentially represented as $Y = \beta_0 + \beta_1 X + \epsilon$, where $\beta_0$ is the intercept, $\beta_1$ is the coefficient for $X$, and $\epsilon$ represents the error term. The methodological rigor ensures that the findings contribute meaningfully to the existing body of knowledge in the field.
Results
The results demonstrate the development of a novel wearable repetitive Transcranial Magnetic Stimulation (rTMS) device, termed rTMS-tiny, which comprises a super-compact battery-powered magnetic stimulator and a lightweight figure-8 magnetic core coil. The magnetic core coil weighs 1.7 kg, with an average coil diameter of 63 mm and an outer diameter of 78 mm, while the stimulator measures 17 cm × 14 cm × 6 cm and weighs 1.3 kg. It generates sinusoidal biphasic pulses with a pulse width of 348 μs and achieves a maximum magnetic flux density of 1.2 Tesla, capable of delivering a repetition frequency of up to 100 Hz at 55% of the maximum stimulator output (MSO).
Under standard room temperature conditions, the coil maintained a temperature of 36.1 °C after administering 3000 pulses at 10 Hz and 70% MSO, indicating effective thermal management. The device is powered by an 18 V 2200 mAh lithium battery, allowing for the delivery of 8200 pulses at 70% MSO for 10 Hz rTMS. The design facilitates secure attachment to the head using an elastic band and foam padding, enhancing comfort and stability. Additionally, positioning is aided by a 10-20 EEG cap, targeting the left primary motor cortex (M1) at C3. The rTMS-tiny’s portability and ease of use enable neuromodulation during various activities and settings, thereby broadening the potential applications of rTMS in both clinical and community environments.
Discussion
The discussion highlights the development and performance of the T2-Bent-D63 bent double-T magnetic core coil, which addresses the challenges of achieving low power consumption and weight in wearable repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) devices. Abbasi et al. introduced a compact, lightweight figure-8 coil that induces an electric field of 87 V/m at a depth of 1.5 cm, but smaller coils typically compromise stimulation intensity. The T2-Bent-D63 coil, with a diameter of 63 mm and a weight of 1.2 kg, combines the advantages of magnetic core and double-cone coils, achieving a 73% energy saving while enhancing penetration depth and maintaining focal properties. Electromagnetic simulations indicated that the coil can induce an electric field strength of up to 141 V/m, which is approximately 94% of the performance of the Magstim D70 coil.
The rTMS-tiny stimulator, powered by the T2-Bent-D63 coil, is designed for high-frequency output and portability, weighing only 1.3 kg. It utilizes a high-power-density DC/DC converter to achieve an output of 1600 V and 500 mA, with a maximum power of 800 W and a power density of 5.6 W/cm³. Performance tests demonstrated that the rTMS-tiny system can deliver comparable stimulus intensities to the Magstim system, with minimal energy loss and efficient operation. The device supports various stimulation paradigms and maintains safe temperature levels during operation, making it suitable for wearable applications. The study also validated the efficacy of rTMS-tiny in eliciting motor-evoked potentials (MEPs) in human subjects, indicating that its maximum stimulus intensity is approximately 90-100% of that of the Magstim system, thus confirming its potential for practical use in neurostimulation therapies.