Stimolazione magnetica profonda : stima dei campi elettrici indotti da diverse configurazioni di bobine in un modello umano realistico

Background: in the last years various deep magnetic stimulation (deep TMS) coil designs have been proposed. However, key coil characteristics such as electric field focality on the surface and in deep cerebral structures and field penetration depth have not been adequately quantified and compared. Knowledge of the induced electric field distributions and the comparison between the different coils configurations can help researchers and clinicians with coil selection and interpretation of TMS studies. Objective: to characterize and compare the induced electric field distributions in the brain on an anatomical model by different configurations of coils for TMS through a consistent set of metrics. Methods: the electric field distributions induced by 14 TMS coils were simulated in a realistic human model using the finite element method and the magneto quasi-static low frequency approximation. Each group of coils was compared with the references (circular coil and figure-8 coil). For each coil and for each brain tissue was calculated the percentage of volume that had electric field values greater than or equal to 10%-90% of the 99th percentile higher in the brain. The depth was studied both by quantifying the degree of reduction of the induced electric field with the increase of the distance from the cortical surface and by comparing the depth of 50% of the electric field maximum of each coil on the frontal and on the sagittal plane. Results: the 14 TMS coils exhibit a wide range of induced electric field focality and depth, but all followed a depth-focality tradeoff: coils with high depth cannot be as focal as more superficial coils. Conclusions: for each coil design, the ability to directly stimulate deeper brain structures is obtained at the expense of inducing wider electrical field spread. Furthermore, few coils are able to reach deep brain structures with electric field values greater than 20% of the maximum. However, according to the quantification of the induced electric field characteristics, it is possible to identify some coils configurations suitable to specific therapeutic aims.

Introduzione: negli ultimi anni, sono state proposte diverse configurazioni di bobine per stimolazione magnetica profonda (deep TMS). Tuttavia, le caratteristiche chiave dei coils, come la focalità del campo elettrico sulla superficie e nelle strutture cerebrali profonde e la profondità di penetrazione del campo non sono state adeguatamente quantificate e confrontate. La conoscenza delle distribuzioni del campo elettrico indotto e il confronto tra le differenti configurazioni di bobine possono aiutare i ricercatori e i clinici nella scelta del coil e nell’interpretazione degli studi relativi alla TMS. Obiettivo: caratterizzare e confrontare le distribuzioni del campo elettrico indotto nel cervello su un modello anatomico da differenti configurazioni di bobine per TMS mediante un set uniforme di metriche. Metodi: le distribuzioni di campo elettrico indotte da 14 bobine per TMS sono state simulate su un modello umano realistico utilizzando il metodo agli elementi finiti a l’approssimazione magneto quasi-statica a bassa frequenza. Ogni gruppo di bobine è stato confrontato con i riferimenti (coil circolare e coil a forma di 8). Per ogni bobina e per ogni tessuto cerebrale è stata calcolata la percentuale di volume interessata da valori di campo maggiori o uguali al 10%-90% del 99° percentile più alto a livello cerebrale. La profondità è stata valutata sia quantificando il grado di riduzione del campo elettrico indotto all’aumentare della distanza dalla superficie corticale sia confrontando la profondità del 50% del campo elettrico massimo di ogni coil sui piani frontale e sagittale. Risultati: le 14 bobine per TMS mostrano un ampio range di valori di focalità e profondità del campo elettrico indotto, ma tutte sono soggette al tradeoff profondità-focalità: coils con un’alta profondità non riescono a essere tanto focali quanto lo sono le configurazioni più superficiali. Conclusioni: per ogni configurazione di bobina, l’abilità di stimolare direttamente le strutture cerebrali più profonde è ottenuta a spese di un’estensione dell’area interessata dal campo elettrico. Inoltre, pochi coils riescono a raggiungere le strutture cerebrali profonde con valori di campo superiori al 20% del massimo. Tuttavia, sulla base della quantificazione delle caratteristiche del campo elettrico indotto, è possibile identificare alcune configurazioni di bobine adatte a specifici scopi terapeutici.