Optimization of a device for deep-brain transcranial magnetic stimulation via simulations

Abstract

Estimulação magnética transcraniana é o termo utilizado para descrever uma técnica não invasiva terapêutica e de diagnóstico, que tem por base a aplicação de campos magnéticos variáveis. Os campos magnéticos variáveis são adequadamente produzidos por um conjunto de espiras, com o propósito de induzir de forma não invasiva correntes no cérebro. A técnica foi introduzida há quase quatro décadas, sendo que desde então tem sido alvo de vários desenvolvimentos relevantes, com o propósito de proporcionar opções terapêuticas alternativas. Um dos principais desenvolvimentos foi a estimulação de zonas de cérebro profundo, consequentemente denominada Estimulação magnética transcraniana profunda. Vários pacientes com diversas doenças neuropsiquiátricas (e.g., depressão, transtorno obsessivo-compulsivo, tabagismo, entre outras) já beneficiam da aplicação desta técnica. Contudo, existe ainda incapacidade de estimular zonas de cérebro profundo com intensidades apropriadas para o entendimento dos benefícios ou falta dos mesmos em estimular diretamente estas zonas.Neste projeto propusemo-nos a começar a implementação experimental de um sistema de estimulação magnética transcraniana profunda de 5 espiras, denominado Configuração Ortogonal, inicialmente proposto para ultrapassar as limitações das espiras representativas do estado da arte. Vários componentes importantes do sistema foram adquiridos e desenvolvidos (e.g., bomba de água, sensores de corrente), e uma solução com base em silicone e grande potencial de preencher os requisitos elétricos necessários para um modelo de crânio esférico, com base no modelo previamente simulado, foi encontrada. Simulações, com recurso ao software COMSOL Multiphysics AC/DC, em que se considerou os fios elétricos da configuração ortogonal encapsulados num material isolador com 5 mm de raio proporcionaram resultados de estimulação em profundidade sem precedentes, atingindo-se uma estimulação no centro do cérebro de 71\% do máximo de superfície. Esta abordagem aproximou o sistema simulado das futuras condições experimentais. \parFinalmente, foi estudada a hipótese de melhorar a praticabilidade da configuração ortogonal através duma redução das dimensões do contentor. Dois estudos foram conduzidos. O primeiro, no qual todas as dimensões do contentor variaram a mesma quantidade demonstrou resultados insignificantes para o que era pretendido. No segundo, em que apenas a largura do contentor variou, observou-se uma manutenção dos resultados de indução de densidade de corrente no centro do cérebro, relativamente ao máximo de superfície, de contentor para contentor, e mesmo comparativamente com os resultados do contentor original (~71\%), variando apenas a intensidade das densidades de corrente induzidas. Ambos os estudos foram realizados através de simulações com recurso ao software COMSOL AC/DC. Uma redução de 390 litros de água foi obtida entre o contentor mais pequeno do estudo e o contentor original, consequentemente implicando, também, uma redução de NaCl.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) refers to a noninvasive therapeutic and diagnostic technique based on the application of transient magnetic fields. The transient magnetic fields are properly delivered by a set of coils, and have the purpose of noninvasively induce brain currents. The technique was first introduced almost four decades ago, and ever since has been under important developments with the main purpose of offering alternative therapeutic options. One of the main developments has been the stimulation of deep brain areas, termed deep Transcranial Magnetic Stimulation (dTMS). Many patients with several neuropsychiatric disorders (e.g. major depressive disorder (MDD), obsessive-compulsive disorder (OCD), smoking addiction, among others) already benefit from this technique. However, there is still a lack of capacity of stimulating deep brain structures with appropriate intensity to understand the benefits, or lack of them, in directly stimulating these regions.\parIn this project, we propose to start the experimental implementation of a new dTMS 5-coils system, named Orthogonal Configuration, initially proposed to overcome the limitations of deep stimulation other state of the art coils suffer. Many important components of the system were acquired and developed (e.g., water pump, current sensors), and a silicon-based solution, highly potential to fill the electrical requirements needed for a spherical skull-model based on previous simulations, was found. Simulations, via the COMSOL Multiphysics AC/DC software, where we considered the orthogonal configuration electrical wires encapsulated in a 5-mm radius insulating material provided unprecedented stimulation-with-depth results of 71\% the surface maximum at the brain center. This approach brought the simulation system closer to the real conditions.\parFinally, we studied the hypothesis of improving the physical layout of the orthogonal configuration by means of reducing the container's dimensions. Two studies were conducted. The first, where all the dimensions of the container varied by the same amount showed no significant results. In the second, where only the width of the container varied, the current density induction at the center of the brain, relative to the surface maximum, was approximately constant, and equal to that of the original container (~71%), independently of the width of the container, varying only the intensity of the induced current densities. Both studies were conducted with resort to COMSOL Multiphysics AC/DC software. Between the original container, and the smallest of the second study, there is a 390 litres reduction of water, also implying a reduction in the NaCl amount to be used in the composition of a conductive liquid solution.