RU2817982C1 - Device for training hands when performing navigation transcranial magnetic stimulation - Google Patents
Device for training hands when performing navigation transcranial magnetic stimulation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2817982C1 RU2817982C1 RU2023135727A RU2023135727A RU2817982C1 RU 2817982 C1 RU2817982 C1 RU 2817982C1 RU 2023135727 A RU2023135727 A RU 2023135727A RU 2023135727 A RU2023135727 A RU 2023135727A RU 2817982 C1 RU2817982 C1 RU 2817982C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic stimulation
- magnetic
- training
- model
- head model
- Prior art date
Links
- 238000011491 transcranial magnetic stimulation Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000012549 training Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 claims abstract description 6
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 claims abstract description 5
- 229920000122 acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 210000002454 frontal bone Anatomy 0.000 claims abstract description 4
- 210000000103 occipital bone Anatomy 0.000 claims abstract description 4
- 210000003455 parietal bone Anatomy 0.000 claims abstract description 4
- 230000001936 parietal effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims abstract description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims abstract 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000013480 data collection Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 20
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 210000003710 cerebral cortex Anatomy 0.000 description 6
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 6
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 5
- KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N Butadiene Chemical compound C=CC=C KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 4
- 235000014676 Phragmites communis Nutrition 0.000 description 3
- 230000001054 cortical effect Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 3
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 3
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 3
- 210000002161 motor neuron Anatomy 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 210000000278 spinal cord Anatomy 0.000 description 3
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 3
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N Acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 2
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 210000003169 central nervous system Anatomy 0.000 description 2
- 230000002490 cerebral effect Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000000537 electroencephalography Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 210000000337 motor cortex Anatomy 0.000 description 2
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 2
- 230000036403 neuro physiology Effects 0.000 description 2
- 210000000578 peripheral nerve Anatomy 0.000 description 2
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 2
- 210000002804 pyramidal tract Anatomy 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 229920005992 thermoplastic resin Polymers 0.000 description 2
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 2
- 230000000699 topical effect Effects 0.000 description 2
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 2
- 230000021542 voluntary musculoskeletal movement Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 108091005515 EGF module-containing mucin-like hormone receptors Proteins 0.000 description 1
- 230000036982 action potential Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 description 1
- 201000007455 central nervous system cancer Diseases 0.000 description 1
- 208000025997 central nervous system neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 210000001638 cerebellum Anatomy 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000013170 computed tomography imaging Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000002079 electron magnetic resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000000763 evoking effect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 210000001153 interneuron Anatomy 0.000 description 1
- 230000003447 ipsilateral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000007433 nerve pathway Effects 0.000 description 1
- 238000002610 neuroimaging Methods 0.000 description 1
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001959 radiotherapy Methods 0.000 description 1
- 238000013548 repetitive transcranial magnetic stimulation Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000001020 rhythmical effect Effects 0.000 description 1
- 210000004092 somatosensory cortex Anatomy 0.000 description 1
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 1
- 210000001103 thalamus Anatomy 0.000 description 1
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицины к обучающим устройствам и тренажерам, и может быть использовано для отработки правильной постановки рук исследователя при выполнении навигационной транскраниальной магнитной стимуляции.The invention relates to the field of medicine, to training devices and simulators, and can be used to practice the correct positioning of the researcher’s hands when performing navigational transcranial magnetic stimulation.
Диагноз опухоли ЦНС устанавливается в первую очередь по комплексу клинических симптомов и с помощью нейровизуализационных техник (компьютерная томография и магнитно-резонансная томография головного и спинного мозга). Тем не менее в диагностике новообразований данной локализации значительную роль играют и нейрофизиологические методики. Их применение в нейроонкологии оправдано в первую очередь не соображениями топической диагностики опухолей, но возможностью с их помощью оценить состояние функции проводящих путей и центров ЦНС, затронутых опухолевым процессом.The diagnosis of a central nervous system tumor is established primarily by a set of clinical symptoms and with the help of neuroimaging techniques (computed tomography and magnetic resonance imaging of the brain and spinal cord). Nevertheless, neurophysiological techniques also play a significant role in the diagnosis of neoplasms of this localization. Their use in neuro-oncology is justified primarily not by considerations of topical diagnosis of tumors, but by the ability to use them to assess the state of function of the pathways and central nervous system centers affected by the tumor process.
Одной из динамически развивающейся нейрофизиологической технологией является транскраниальная магнитная стимуляция (ТКМС) - диагностическая и терапевтическая методика, вошедшая в практику в 1980-е годы One of the dynamically developing neurophysiological technologies is transcranial magnetic stimulation (TCMS) - a diagnostic and therapeutic technique that came into practice in the 1980s.
В основе метода ТКМС лежит способность переменного магнитного поля индуцировать электрический ток в проводящих системах. Это явление было открыто в 1831 г. известным британским ученым, химиком и физиком Майклом Фарадеем. Пирамидный путь представляет собой анатомо-функциональную систему, включающую в себя корковые моторные центры, вставочные нейроны, спинальные альфа-мотонейроны и периферические нервные волокна. Движения мышц происходят в результате индуцированного при ТКМС возбуждающего электрического импульса, нисходящего по нервным путям, которые начинаются от мотонейронов церебральной коры и спускаются к мотонейронам спинного мозга с дальнейшим проведением возбуждения по периферическим нервам к мышце. The TCMS method is based on the ability of an alternating magnetic field to induce an electric current in conducting systems. This phenomenon was discovered in 1831 by the famous British scientist, chemist and physicist Michael Faraday. The pyramidal tract is an anatomical and functional system that includes cortical motor centers, interneurons, spinal alpha motor neurons and peripheral nerve fibers. Muscle movements occur as a result of an exciting electrical impulse induced during TKMS, descending along nerve pathways that start from the motor neurons of the cerebral cortex and descend to the motor neurons of the spinal cord, with further conduction of excitation along the peripheral nerves to the muscle.
При ТКМС индуцированное магнитное поле деполяризует мембрану нейрона, возникший потенциал действия распространяется далее по проводящим путям, при этом вектор магнитного поля расположен перпендикулярно направлению электрического тока. Сила тока в каждой точке проводника прямо пропорциональна напряженности индуцированного электрического поля и напрямую зависит от физических характеристик проведения самого проводника. Проводимость в биологических объектах - тканях - определяется их анатомическим строением и электропроводящими свойствами, содержанием воды, химическим составом. With TCMS, the induced magnetic field depolarizes the neuron membrane, the resulting action potential propagates further along the conduction paths, while the magnetic field vector is located perpendicular to the direction of the electric current. The current strength at each point of the conductor is directly proportional to the strength of the induced electric field and directly depends on the physical characteristics of the conductor itself. Conductivity in biological objects - tissues - is determined by their anatomical structure and electrical conductive properties, water content, and chemical composition.
Для генерации переменного магнитного поля наиболее часто применяются транскраниальные магнитные стимуляторы, оснащенные стимулирующими индукторами: стандартные кольцевые плоские койлы с внешним диаметром 90-100 мм, специальные малые кольцевые койлы диаметром 10-20 мм и койлы «восьмерка» в виде сдвоенного индуктора для большей точности воздействия на определенный участок ткани при меньшей мощности производимой стимуляции. При прохождении электрического тока через индуктор или койл возникает переменное магнитное поле. В этот момент вследствие микродеформаций катушки отмечается щелчок громкостью 100-120 дБ. Пик напряженности созданного магнитного потока приходится на средний диаметр койлов. По мере приближения к максимальному и минимальному диаметру соленоидов или индукторов пик напряженности магнитного потока падает, и в геометрическом центре используемых койлов индуцированного тока уже нет.To generate an alternating magnetic field, transcranial magnetic stimulators equipped with stimulating inductors are most often used: standard ring flat coils with an outer diameter of 90-100 mm, special small ring coils with a diameter of 10-20 mm and figure-of-eight coils in the form of a dual inductor for greater precision of influence to a certain area of tissue with a lower power of stimulation produced. When electric current passes through an inductor or coil, an alternating magnetic field appears. At this moment, due to microdeformations of the coil, a click with a volume of 100-120 dB is noted. The peak intensity of the created magnetic flux occurs at the average diameter of the coils. As the maximum and minimum diameters of the solenoids or inductors are approached, the peak magnetic flux intensity drops, and there is no longer any induced current at the geometric center of the coils used.
Для проведения ТКМС используются различные магнитные стимуляторы: приборы иностранного производства (Magstim Company Ltd., UK) или аппараты отечественного производителя («Нейро-МС», «Нейрософт», Россия) и электронейромиографы разных моделей. Магнитные стимуляторы состоят из конденсаторов высокого напряжения (от 400 В до 5 кВ), заряжающихся электрическим током большой силы (до 20 кА) до достижения необходимого вольтажа. Стимулирующий разряд происходит при направлении электрического тока из конденсатора в катушку соленоида, где и происходит генерация магнитного поля большой мощности, достигающая в некоторых приборах 10 Тесла (Т). To perform TCM, various magnetic stimulators are used: foreign-made devices (Magstim Company Ltd., UK) or domestic-made devices (Neuro-MS, Neurosoft, Russia) and electroneuromyographs of various models. Magnetic stimulators consist of high-voltage capacitors (from 400 V to 5 kV), charged with a high-power electric current (up to 20 kA) until the required voltage is reached. The stimulating discharge occurs when electric current is directed from the capacitor to the solenoid coil, where a high-power magnetic field is generated, reaching 10 Tesla (T) in some devices.
Для оценки состояния кортикоспинального тракта магнитная стимуляция проводится на корковом и сегментарном уровнях. Магнитный койл располагается на голове исследуемого таким образом, чтобы регистрируемый потенциал имел наибольшую амплитуду: для оценки коркового вызванного моторного ответа (ВМО) в проекции церебральных моторных зон, для анализа сегментарных ВМО - над шейным и поясничным утолщением спинного мозга соответственно.To assess the condition of the corticospinal tract, magnetic stimulation is performed at the cortical and segmental levels. The magnetic coil is located on the head of the subject so that the recorded potential has the greatest amplitude: to assess the cortical evoked motor response (EMR) in the projection of the cerebral motor zones, to analyze segmental EMRs - above the cervical and lumbar enlargement of the spinal cord, respectively.
Активация нейрональных структур головного мозга при стимуляции койлом по локализации в существенной степени совпадает с активацией аналогичных церебральных структур при выполнении произвольного движения. Индуцированная ТКМС активация нейрональных структур, непосредственно располагающихся в проекции койла, как и удаленных корковых зон (ипси- и контрлатеральной премоторной коры, дополнительной моторной коры, ипсилатеральной соматосенсорной коры, мозжечка (преимущественно контрлатерально по отношению к катушке), таламуса и билатерально хвостатых ядер и акустической коры), в значительной степени совпадает с активацией этих же нейрональных структур при выполнении произвольного движения, но, как правило, меньше по своей пространственной протяженности.Activation of neuronal structures of the brain during coil stimulation in localization largely coincides with the activation of similar cerebral structures during voluntary movement. TKMS-induced activation of neuronal structures directly located in the coil projection, as well as remote cortical areas (ipsi- and contralateral premotor cortex, supplementary motor cortex, ipsilateral somatosensory cortex, cerebellum (mainly contralateral to the coil), thalamus and bilateral caudate nuclei and acoustic cortex), largely coincides with the activation of the same neuronal structures during voluntary movement, but, as a rule, is smaller in its spatial extent.
Интеграция навигационной системы с традиционной ТМС значительно расширила область применения метода и позволила избавиться от большинства недостатков. Теперь можно точно определить функционально значимые зоны коры головного мозга. Для картирования моторной зоны коры используются одиночные импульсы навигационной ТМС, а ритмическая ТМС позволяет выявить зоны коры, ответственные за речь.Integration of the navigation system with traditional TMS has significantly expanded the scope of the method and eliminated most of the shortcomings. Now it is possible to accurately determine the functionally significant areas of the cerebral cortex. Single pulses of navigational TMS are used to map the motor cortex, and rhythmic TMS allows us to identify the cortical areas responsible for speech.
Стандартный комплекс для измерения уровня магнитного поля при проведении навигационной транскраниальной магнитной стимуляции (нТКМС) головного мозга состоит из транскраниального магнитного стимулятора, представляющего собой катушку в форме восьмёрки с возможностью генерации магнитного поля от 1,0 до 3,5 Тл., которую устанавливают над зоной интереса по коре головного мозга, подвергающейся исследованию, платы сбора и обработки сигналов, контрольно-измерительного осциллографа и компьютера для отображения результатов измерения с установленным программным обеспечением.A standard complex for measuring the level of the magnetic field during navigational transcranial magnetic stimulation (nTCMS) of the brain consists of a transcranial magnetic stimulator, which is a figure-of-eight coil with the ability to generate a magnetic field from 1.0 to 3.5 Tesla, which is installed above the zone interest in the cerebral cortex being studied, a signal acquisition and processing board, an instrumentation oscilloscope and a computer for displaying measurement results with installed software.
Особенностью комплексов с навигационной ТКМС заключается в наличии инфракрасного источника-приемника и маркеров - отражателей сигнала, испускаемого источником-приемником. Маркеры отражатели располагаются на пациенте и на магнитной катушке, благодаря чему, постоянный анализ отраженного сигнала, его изменение в пространстве, позволяет точно оценивать позицию магнитная катушкаа относительно головы пациента. A special feature of complexes with navigation TKMS is the presence of an infrared source-receiver and markers - reflectors of the signal emitted by the source-receiver. Reflective markers are located on the patient and on the magnetic coil, due to which, constant analysis of the reflected signal, its change in space, allows you to accurately assess the position of the magnetic coil relative to the patient’s head.
Как было показано нами ранее в патенте №2632539 «Способ предлучевой подготовки больных с опухолями в зоне прецентральной извилины головного мозга» ТКМС в виде навигационной технологии, а именно навигационная ТКМС может применятся как важный элемент при подготовке пациентов с опухолевым поражением ЦНС как к лучевой терапии, как и к радиохирургическому лечению.As we showed earlier in patent No. 2632539 “Method of pre-radiation preparation of patients with tumors in the area of the precentral gyrus of the brain” TCMS in the form of navigation technology, namely navigation TCMS can be used as an important element in preparing patients with tumor lesions of the central nervous system both for radiation therapy, as well as radiosurgical treatment.
Особенностью проведения навигационной ТКМС (нТКМС) является координаторная программная привязка головы пациента, в виде трехмерной модели построенной по МРТ томограммам и магнитной катушки. Для совмещения положения точки воздействия в объеме мозга относительно характерных меток черепа, фокуса магнитного поля и пространственного положения индуктора самым действенным решением оказалось использование стереоскопической системы технического зрения, совмещенной с построением 3D-модели мозга по снимкам МРТ [Liu S, Shi L, Wang D, Chen J, Jiang Z, Wang W, et al. Mri-guided navigation and positioning solution for repetitive transcranial magnetic stimulation. Biomedical Engineering: Applications, Basis and Communications. 2013; 25 (1): 1350012. DOI: 10.4015/ s1016237213500129.]. В основе лежит трехмерное позиционирование индуктора с помощью стереоскопической видеосистемы относительно объемной модели мозга в единой сетке координат. A special feature of navigation TMS (nTMS) is the coordinating software binding of the patient’s head, in the form of a three-dimensional model built from MRI tomograms and a magnetic coil. To combine the position of the impact point in the brain volume relative to the characteristic marks of the skull, the focus of the magnetic field and the spatial position of the inductor, the most effective solution turned out to be the use of a stereoscopic technical vision system combined with the construction of a 3D model of the brain from MRI images [Liu S, Shi L, Wang D, Chen J, Jiang Z, Wang W, et al. Mri-guided navigation and positioning solution for repetitive transcranial magnetic stimulation. Biomedical Engineering: Applications, Basis and Communications. 2013; 25 (1): 1350012. DOI: 10.4015/ s1016237213500129.]. It is based on three-dimensional positioning of the inductor using a stereoscopic video system relative to a three-dimensional model of the brain in a single coordinate grid.
Подобные системы переменяются как в отечественных продуктах (Нейрософт) [VISOR2 navigation system for transcranial magnetic stimulation Russian. ], так и в иностранных, например, комплекс NBS eXimia Nexstim (Nexstim Ltd.; Финляндия) [Червяков А. В., Пирадов М. А., Савицкая Н. Г., Черникова Л. А., Кремнева Е. И. Новый шаг к персонифицированной медицине. Навигационная система транскраниальной магнитной стимуляции (NBS eXimia Nexstim). Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2012; 6 (3): 37-46.] и система нейронавигации Brainsight TMS Navigation (Brainbox; Великобритания) [BRAINBOX TMS Transcranial Magnetic Stimulation [cited 2023 September 2]. Available from: https://brainbox-neuro.com/ techniques/tms.]Similar systems vary as in domestic products (Neurosoft) [VISOR2 navigation system for transcranial magnetic stimulation Russian. ], and in foreign ones, for example, the NBS eXimia Nexstim complex (Nexstim Ltd.; Finland) [Chervyakov A.V., Piradov M.A., Savitskaya N.G., Chernikova L.A., Kremneva E.I. A new step towards personalized medicine. Navigation system for transcranial magnetic stimulation (NBS eXimia Nexstim). Annals of Clinical and Experimental Neurology. 2012; 6 (3): 37-46.] and the Brainsight TMS Navigation neuronavigation system (Brainbox; UK) [BRAINBOX TMS Transcranial Magnetic Stimulation [cited 2023 September 2]. Available from: https://brainbox-neuro.com/techniques/tms.]
Технологической особенностью в проведении навигационной ТКМС является правильное позиционирование магнитной катушки относительно головы пациента (ось магнитного поля должна быть направлена строго на мезенцефальные структуры головного мозга и быть всегда в поле видения детектора, как и голова пациента). Одной из основных причин вариабельности измерения моторного потенциала является неточное расположение магнитной катушки (Mills K.R. et al., 1992; Conforto A.B. et al., 2004) вследствие сдвига магнитной катушки.A technological feature in performing navigation TMS is the correct positioning of the magnetic coil relative to the patient’s head (the axis of the magnetic field should be directed strictly to the mesencephalic structures of the brain and always be in the field of view of the detector, like the patient’s head). One of the main causes of variability in motor potential measurements is inaccurate placement of the magnetic coil (Mills K.R. et al., 1992; Conforto A.B. et al., 2004) due to the displacement of the magnetic coil.
По данным литературы [Saturnino GB, Puonti O, Nielsen JD, Antonenko D, Madsen KH, Thielscher A. SimNIBS 2.1: A Comprehensive Pipeline for Individualized Electric Field Modelling for Transcranial Brain Stimulation. 2019 Aug 28. In: Makarov S, Horner M, Noetscher G, editors. Brain and Human Body Modeling: Computational Human Modeling at EMBC 2018 [Internet]. Cham (CH): Springer; 2019. Chapter 1. PMID: 31725247.] При оценке погрешности магнитного поля средняя точность определения местоположения, ориентации и величины пикового значения поля колебалась в пределах 1,5-5,0 мм, 0,9-4,8° и 4,4-8,5%. According to the literature [Saturnino GB, Puonti O, Nielsen JD, Antonenko D, Madsen KH, Thielscher A. SimNIBS 2.1: A Comprehensive Pipeline for Individualized Electrical Field Modeling for Transcranial Brain Stimulation. 2019 Aug 28. In: Makarov S, Horner M, Noetscher G, editors. Brain and Human Body Modeling: Computational Human Modeling at EMBC 2018 [Internet]. Cham (CH): Springer; 2019. Chapter 1. PMID: 31725247.] When assessing the magnetic field error, the average accuracy in determining the location, orientation and magnitude of the peak field value ranged from 1.5-5.0 mm, 0.9-4.8° and 4.4 -8.5%.
Постольку тщательное сохранение правильной позиции катушки врачом на протяжении всей процедуры исследования представляет собой критически важный фактор, определяющий достоверность проведения данного исследования, компенсация данного вида ошибок может достигаться. Путем тренировки мануальных навыков исследователя при выполнении процедуры навигационной магнитной стимуляции, или создание роботизированного комплекса (TMS Robot (Axilum Robotics; Франция) [Robotic Assistant for Transcranial Magnetic Stimulation (TMS)].Since careful maintenance of the correct coil position by the physician throughout the entire examination procedure is a critical factor in determining the reliability of the examination, compensation for this type of error can be achieved. By training the manual skills of the researcher when performing the navigation magnetic stimulation procedure, or creating a robotic complex (TMS Robot (Axilum Robotics; France) [Robotic Assistant for Transcranial Magnetic Stimulation (TMS)].
Для достижения оптимального выполнения данной процедуры, были предприняты усилия по оптимизации с использованием удерживающих кронштейнов, которые обеспечивают статическую фиксацию катушки для компенсации возможных ошибок позиционирования магнитной катушки. Эти меры были предприняты на основе рассмотренных ранее фактов. [Unmatched accuracy in TMS [cited 2023 September 2]. Однако, подобные устройства не нашли широкого применения в клинической практике в связи со статичностью и отсутствием динамической возможности компенсации положения магнитной катушки относительно детектора-излучателя. To achieve optimal performance of this procedure, optimization efforts have been made using holding brackets that provide static fixation of the coil to compensate for possible positioning errors of the magnetic coil. These measures were taken based on the facts discussed earlier. [Unmatched accuracy in TMS [cited 2023 September 2]. However, such devices have not found widespread use in clinical practice due to their static nature and the lack of dynamic ability to compensate for the position of the magnetic coil relative to the detector-emitter.
На современном уровне развития технологических процессов, методика точного мануального позиционирования магнитной катушки при выполнении (ТКМС) является наиболее предпочтительной и технологически доступной.At the current level of development of technological processes, the technique of precise manual positioning of a magnetic coil during execution (TKMS) is the most preferable and technologically accessible.
Поэтому существует потребность в разработке специальных устройств для тренировки позиционирования рук врача при выполнении навигационной транскраниальной магнитной стимуляции.Therefore, there is a need to develop special devices for training the positioning of the doctor’s hands when performing navigational transcranial magnetic stimulation.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является устройство, опубликованное в работе, посвященной созданию роботизированного комплекса ТКМС [L. Richter, Robotized Transcranial Magnetic Stimulation, DOI: 10.1007/978-1-4614-7360-2_2], которое выбрано нами в качестве прототипа.The closest in technical essence to the proposed invention is the device published in the work devoted to the creation of a robotic TKMS complex [L. Richter, Robotized Transcranial Magnetic Stimulation, DOI: 10.1007/978-1-4614-7360-2_2], which we chose as a prototype.
Прототип представляет собой полноразмерную модель головы человека, сделанную из полистирола с впаянной в нее единичным герконовым датчиком магнитного поля, далее соединенным с осциллографом. Данное устройство было разработано для юстировки роботизированной руки выполняющую роль механического манипулятора при выполнении автоматизированной ТКМС. Однако в прототипе не учитывается наклон плоскости магнитной катушки относительно сферической поверхности головы, кроме того герконовые датчики работают по системе да/нет (есть или нет контакт с магнитным полем) и срабатывают при неполном позиционировании магнитной катушки над зоной интереса. Основной принцип заключается в том, что при прохождении магнитной катушки над детектором происходит его срабатывание и полученный сигнал в виде электрического импульса передаётся на регистрирующий прибор-осциллограф. Недостатком прототипа является то, что он сделан из мономорфного полистирола, что не отражает физиологических и анатомических особенностей человека. Использование герконового датчика, работающего по системе «есть или нет сигнал» при взаимодействии с магнитным полем, не учитывает точность позиционирования магнитной катушки, тогда как для отработки врачами точного выполнения процедуры необходимо создавать устройства-тренажеры, которые максимально приближены к физическим и анатомическим особенностям человека, а также позволяют учитывать наклон магнитной катушки относительно кривизны поверхности черепа, что не учитывается в прототипе. Так же в прототипе присутствует один датчик, что не дает в полной мере развить мануальные навыки при выполнении нТКМС при различных локализациях.The prototype is a full-size model of a human head, made of polystyrene with a single reed switch magnetic field sensor soldered into it, then connected to an oscilloscope. This device was developed to adjust a robotic arm to act as a mechanical manipulator when performing automated TCM. However, the prototype does not take into account the inclination of the plane of the magnetic coil relative to the spherical surface of the head; in addition, reed sensors operate on a yes/no system (there is or is not contact with the magnetic field) and are triggered when the magnetic coil is not fully positioned over the area of interest. The basic principle is that when a magnetic coil passes over the detector, it is triggered and the resulting signal in the form of an electrical pulse is transmitted to a recording oscilloscope. The disadvantage of the prototype is that it is made of monomorphic polystyrene, which does not reflect the physiological and anatomical characteristics of a person. The use of a reed switch sensor, which operates according to the “whether there is a signal or not” system when interacting with a magnetic field, does not take into account the positioning accuracy of the magnetic coil, while in order for doctors to practice the exact execution of the procedure, it is necessary to create simulator devices that are as close as possible to the physical and anatomical characteristics of a person, and also make it possible to take into account the inclination of the magnetic coil relative to the curvature of the surface of the skull, which is not taken into account in the prototype. Also, the prototype contains one sensor, which does not allow for the full development of manual skills when performing nTMS at different locations.
Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков за счет создания нового устройства для тренировки позиционирования рук врача при выполнении навигационной транскраниальной магнитной стимуляции.The technical result of the invention is to eliminate these disadvantages by creating a new device for training the positioning of a doctor's hands when performing navigational transcranial magnetic stimulation.
Этот результат достигается за тем, что устройство для тренировки рук при проведении навигационной транскраниальной магнитной стимуляции, выполненное в виде полноразмерной модели головы человека, содержащее датчики, согласно изобретению, модель головы выполнена из ударопрочной термопластической смолы на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (АБС-пластик) с изображением анатомических структур, повторяющих лобную, теменную и затылочную кости черепа, и заполнена гелеобразным силиконом, и содержит 19 датчиков Холла, которые располагаются по системе электродов «10-20» на глубине 1,5 см от поверхности модели головы.This result is achieved due to the fact that the device for training hands during navigation transcranial magnetic stimulation, made in the form of a full-size model of the human head, containing sensors, according to the invention, the head model is made of impact-resistant thermoplastic resin based on a copolymer of acrylonitrile with butadiene and styrene (ABS- plastic) depicting anatomical structures repeating the frontal, parietal and occipital bones of the skull, and is filled with gel-like silicone, and contains 19 Hall sensors, which are located along a “10-20” electrode system at a depth of 1.5 cm from the surface of the head model.
Выполнение модели головы из ударопрочной термопластической смолы на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (АБС-пластик) с изображением анатомических структур, повторяющих лобную, теменную и затылочную кости черепа, и заполнена гелеобразным обеспечивает анатомическую и физиологическую тождественность с головой живого человека. The head model is made of impact-resistant thermoplastic resin based on a copolymer of acrylonitrile with butadiene and styrene (ABS plastic) depicting anatomical structures that replicate the frontal, parietal and occipital bones of the skull, and filled with a gel that ensures anatomical and physiological identity with the head of a living person.
Датчики Холла представляют собой магниточувствительные элементы, выполненные в пластиковом корпусе с возможностью их установки и закрепления в специальных местах модели головы человека [Маргелов А. Датчики тока компании Honeywell//Новости электроники, №8, 2006 - С. 18-22.]. Измерительный преобразователь, применяемый для оценки величины магнитного поля, основан на принципе работы датчика, использующего эффект Холла. Исходное напряжение датчика прямо пропорционально напряженности магнитного поля. Кроме того, устройства на основе эффекта Холла не подвержены воздействию пыли, грязи и воды. Эти уникальные характеристики делают их более подходящими для определения положения, по сравнению с альтернативными методами, такими как оптические и электромеханические измерения. Hall sensors are magnetically sensitive elements made in a plastic case with the ability to install and secure them in special places on a human head model [Margelov A. Honeywell current sensors//Electronics News, No. 8, 2006 - P. 18-22.]. The measuring transducer used to estimate the magnitude of the magnetic field is based on the operating principle of a sensor using the Hall effect. The initial voltage of the sensor is directly proportional to the magnetic field strength. In addition, devices based on the Hall effect are not affected by dust, dirt and water. These unique characteristics make them more suitable for position determination than alternative methods such as optical and electromechanical measurements.
Международная федерация электроэнцефалографии и клинической нейрофизиологии рекомендует использование системы расположения электродов 10-20, которая основана на взаимосвязи между расположением электрода и основной областью мозга, включая кору головного мозга. [(Oostenveld, Robert; Praamstra, Peter (2001). “The five percent electrode system for high-resolution EEG and ERP measurements”. Clinical Neurophysiology. 112: 713-719.]. Ее название происходит от того, что расстояние между каждым электродом определяется как 10 или 20% от индивидуально измеренных размеров головы. Разработка этого метода была направлена на обеспечение стандартизированных методов исследования, которые позволяют составлять, воспроизводить, эффективно анализировать и сравнивать результаты исследования субъектов (клинических или исследовательских) с использованием научного подхода. Расположение датчиков Холла в предлагаемом устройстве по этой системе и на глубине 1,5 см обеспечивает анатомическую точность воспроизводимости топического представительства зон интереса по головному мозгу человека. The International Federation of Electroencephalography and Clinical Neurophysiology recommends the use of the 10-20 electrode placement system, which is based on the relationship between electrode location and the underlying brain region, including the cerebral cortex. [(Oostenveld, Robert; Praamstra, Peter (2001). “The five percent electrode system for high-resolution EEG and ERP measurements.” Clinical Neurophysiology. 112: 713-719.] Its name comes from the fact that the distance between each electrode is defined as 10 or 20% of individually measured head dimensions. The development of this method was aimed at providing standardized research methods that allow the results of studies of subjects (clinical or research) to be compiled, reproduced, efficiently analyzed and compared using a scientific approach to the placement of Hall sensors. in the proposed device, using this system and at a depth of 1.5 cm, it ensures anatomical accuracy of reproducibility of the topical representation of areas of interest in the human brain.
Работа устройства осуществляется следующим образом. The device operates as follows.
Магнитная катушка устанавливается плотно к поверхности модели головы человека в одну из точек, где располагается один из датчиков Холла, после чего осуществляется магнитная стимуляция заданными параметрами. Датчик измеряет уровень магнитного поля во время магнитной стимуляции в режиме реального времени и отправляет данные в плату сбора и обработки данных с датчиков Холла, где происходит сбор и предварительная обработка измеренных сигналов. Далее, сигнал по интерфейсу (USB, RS-232 или RS-485) передаётся на компьютер, где происходит визуальное отображение сигнала в режиме реального времени. Таким образом, если положение центра магнитного стимулятора точно совпадает с положением датчика Холла по оси Z и магнитный стимулятор плотно прилегает к поверхности головы, то в процессе измерения датчик должен показать измеренное значение, соответствующее заданному параметру магнитного стимулятора. В случае если положение центра магнитного стимулятора не соответствует положению датчика Холла по оси Z, то измеренный уровень магнитного поля будет меньше заданного параметра. Для целей независимого контроля показаний датчиков в комплексе имеется контрольно-измерительный осциллограф, который может подключаться на прямую к датчикам по аналоговым или цифровым каналам в зависимости от типа используемого датчика и отображать амплитуды измеряемых сигналов. Так как магнитное поле представляет собой область вокруг магнита, внутри которой ощущается воздействие поля на внешние объекты, то для целей независимых контрольных измерений такого воздействия не только в точке приложения, на которую осуществляется прицельное воздействие магнитным полем магнитного стимулятора, но и в рядом находящихся точках используется контрольно-измерительный осциллограф. Это позволяет оценить влияние магнитного поля на соседние точки (области) головы пациента. The magnetic coil is installed tightly to the surface of the human head model at one of the points where one of the Hall sensors is located, after which magnetic stimulation is carried out with the specified parameters. The sensor measures the level of the magnetic field during magnetic stimulation in real time and sends data to the board for collecting and processing data from Hall sensors, where the measured signals are collected and pre-processed. Next, the signal is transmitted via an interface (USB, RS-232 or RS-485) to a computer, where the signal is visually displayed in real time. Thus, if the position of the center of the magnetic stimulator exactly coincides with the position of the Hall sensor along the Z axis and the magnetic stimulator fits tightly to the surface of the head, then during the measurement process the sensor should show the measured value corresponding to the specified parameter of the magnetic stimulator. If the position of the center of the magnetic stimulator does not correspond to the position of the Hall sensor along the Z axis, then the measured magnetic field level will be less than the specified parameter. For the purpose of independent monitoring of sensor readings, the complex includes an instrumentation oscilloscope that can connect directly to the sensors via analog or digital channels, depending on the type of sensor used, and display the amplitudes of the measured signals. Since the magnetic field is an area around a magnet, within which the influence of the field on external objects is felt, then for the purposes of independent control measurements of such an influence, not only at the point of application, which is targeted by the magnetic field of the magnetic stimulator, but also at nearby points it is used instrumentation oscilloscope. This allows you to evaluate the influence of the magnetic field on neighboring points (areas) of the patient’s head.
После проведения измерений полученные данные сохраняются в компьютере для целей последующего анализа влияния магнитного поля на датчики Холла.After measurements are taken, the data obtained is stored in a computer for the purpose of subsequent analysis of the influence of the magnetic field on Hall sensors.
Компьютерная программа отслеживает позиционирование магнитного стимулятора в пространстве относительно модели головы (Фиг.1, Фиг.2).A computer program monitors the positioning of the magnetic stimulator in space relative to the head model (Figure 1, Figure 2).
При неправильном положении магнитной катушки относительно модели головы, центр мишени позиционирования магнитной катушки отображается красным (Фиг.1,1). При правильном положении магнитной катушки относительно модели головы, центр мишени позиционирования магнитной катушки отображается зеленым (Фиг.2). Шкала угла наклона магнитной катушки относительно модели головы над датчиком Холла (Фиг. 1,2) показывает угол положения магнитной катушки относительно датчика Холла. Они появляются при выхождении магнитной катушки из допустимой зоны. Врач должен добиться что бы центрация магнитной катушки отраженная на фиг.1 находилась в центре и маркировалась зеленым цветом. После завершения работы с одним датчиком врач может перейти к другому датчику, принимая во внимание то, что они располагаются на резной кривизне то и положение рук для достижения результата (фиг.2) будет разное. Что обеспечит тренировку мелкой моторики рук для выполнения специализированных навыков If the position of the magnetic coil is incorrect relative to the head model, the center of the magnetic coil positioning target is displayed in red (Fig. 1, 1). When the magnetic coil is positioned correctly relative to the head model, the center of the magnetic coil positioning target is displayed in green (Figure 2). The scale of the angle of inclination of the magnetic coil relative to the head model above the Hall sensor (Fig. 1,2) shows the angle of position of the magnetic coil relative to the Hall sensor. They appear when the magnetic coil leaves the permissible zone. The doctor must ensure that the centering of the magnetic coil reflected in Fig. 1 is in the center and marked in green. After completing work with one sensor, the doctor can move on to another sensor, taking into account that they are located on a carved curvature and the position of the hands to achieve the result (Fig. 2) will be different. Which will provide training of fine motor skills of the hands to perform specialized skills
Таким образом результаты нейрофизиологического исследования в наибольшей степени зависят от точности расположения стимулирующей катушки. Для уменьшения вероятность погрешностей, могут быть применены разнообразные методы. Один из методов заключается в повышении уровня мастерства оператора через специализированную подготовку, что позволяет ему более точно управлять катушкой вручную. Thus, the results of neurophysiological studies are most dependent on the accuracy of the location of the stimulating coil. To reduce the likelihood of errors, a variety of methods can be used. One method is to increase the operator's skill level through specialized training, allowing him to operate the reel more accurately by hand.
Для лучшего понимания приводим описание чертежей:For a better understanding, here is a description of the drawings:
Фиг. 1 - Мишень позиционирование магнитной катушки относительно модели головы над датчиком Холла. Неточная локализация (красный цвет), где:Fig. 1 - Target positioning of the magnetic coil relative to the head model above the Hall sensor. Inaccurate localization (red), where:
1 - центр мишени позиционирования магнитной катушки отображается красным;1 - the center of the magnetic coil positioning target is displayed in red;
2 - шкала угла наклона магнитной катушки относительно модели головы над датчиком Холла.2 - scale of the angle of inclination of the magnetic coil relative to the head model above the Hall sensor.
Фиг. 2 - Мишень позиционирование магнитной катушки относительно модели головы над датчиком Холла. Точная локализация датчика Холла (зеленый цвет), где:Fig. 2 - Target positioning of the magnetic coil relative to the head model above the Hall sensor. Precise location of the Hall sensor (green), where:
1 - центр мишени позиционирования магнитной катушки отображается зеленым.1 - the center of the magnetic coil positioning target is displayed in green.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2817982C1 true RU2817982C1 (en) | 2024-04-23 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060199159A1 (en) * | 2005-03-01 | 2006-09-07 | Neuronetics, Inc. | Head phantom for simulating the patient response to magnetic stimulation |
| RU2632539C1 (en) * | 2016-07-13 | 2017-10-05 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РАДИОЛОГИИ И ХИРУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ" МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ / ФГБУ "РНЦРХТ" Минздрава России | Method of pre-irradiation preparation of patients with tumours in zone of cerebral precentral gyrus |
| RU2689756C9 (en) * | 2018-02-09 | 2019-09-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос - Медицина" | Practical skills training for first aid and auscultation by means of medical simulator |
| US10675479B2 (en) * | 2013-12-24 | 2020-06-09 | Osaka University | Operation teaching device and transcranial magnetic stimulation device |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060199159A1 (en) * | 2005-03-01 | 2006-09-07 | Neuronetics, Inc. | Head phantom for simulating the patient response to magnetic stimulation |
| US10675479B2 (en) * | 2013-12-24 | 2020-06-09 | Osaka University | Operation teaching device and transcranial magnetic stimulation device |
| RU2632539C1 (en) * | 2016-07-13 | 2017-10-05 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РАДИОЛОГИИ И ХИРУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ" МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ / ФГБУ "РНЦРХТ" Минздрава России | Method of pre-irradiation preparation of patients with tumours in zone of cerebral precentral gyrus |
| RU2689756C9 (en) * | 2018-02-09 | 2019-09-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос - Медицина" | Practical skills training for first aid and auscultation by means of medical simulator |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Lars Richter, Robotized Transcranial Magnetic Stimulation, Springer, 2013, фиг.1.1- 1.4,7.6. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7239910B2 (en) | Methods and devices for transcranial magnetic stimulation and cortical cartography | |
| EP3106204B1 (en) | Intracerebral current simulation method and device thereof, and transcranial magnetic stimulation system including intracerebral current simulation device | |
| Salinas et al. | Detailed 3D models of the induced electric field of transcranial magnetic stimulation coils | |
| US6827681B2 (en) | Method and device for transcranial magnetic stimulation | |
| JP4363899B2 (en) | Brain magnetic stimulation targeting device | |
| Thielscher et al. | Linking physics with physiology in TMS: a sphere field model to determine the cortical stimulation site in TMS | |
| Wagner et al. | Three-dimensional head model simulation of transcranial magnetic stimulation | |
| CA2408775C (en) | Method and apparatus for dose computation of magnetic stimulation | |
| US7711431B2 (en) | Method and device for stimulating the brain | |
| EP2444119A1 (en) | Magnetic stimulator | |
| Homma et al. | Conductivity ratios of the scalp-skull-brain head model in estimating equivalent dipole sources in human brain | |
| Toschi et al. | Transcranial magnetic stimulation in heterogeneous brain tissue: clinical impact on focality, reproducibility and true sham stimulation | |
| Bohning et al. | Deconvolution of transcranial magnetic stimulation (TMS) maps | |
| JP2020151023A (en) | Magnetic field detection device, magnetic field detection method, biological magnetic field measuring system, and rehabilitation technique | |
| US4614499A (en) | Simulator for use as a neurosurgical aid in determining potential paths for the implantation of probes through the human body | |
| Sutherling et al. | Dipole localization of human induced focal afterdischarge seizure in simultaneous magnetoencephalography and electrocorticography | |
| RU2817982C1 (en) | Device for training hands when performing navigation transcranial magnetic stimulation | |
| Kristeva-Feige et al. | Reproducibility and validity of electric source localisation with high-resolution electroencephalography | |
| Im et al. | Computer-aided performance evaluation of a multichannel transcranial magnetic stimulation system | |
| Gilad et al. | A modelling study to inform specification and optimal electrode placement for imaging of neuronal depolarization during visual evoked responses by electrical and magnetic detection impedance tomography | |
| Xiong et al. | Design of a three dimensional magnetic field measurement system for TMS pre-testing | |
| Petrov | Virtual Neurostimulation: Computer-aided transcranial magnetic stimulation (TMS) guidance and dosimetry | |
| Besio et al. | Quantizing the depth of bioelectrical sources for non-invasive 3D imaging | |
| Wu et al. | Probe Design for Measurement and Verification of Electric Field Induced by Figure 8 Coil in Transcranial Magnetic Stimulation | |
| Yang et al. | Electromagnetic field simulation of 3D realistic head model during transcranial magnetic stimulation |