Magnetic stimulation using moving permanent magnets

Abstract

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a noninvasive method used to stimulate small regions of the brain. It has clinical applications for both therapeutic and diagnostic purposes. Traditionally TMS is conducted with an electromagnetic coil. The changing electric current gives rise to a changing magnetic field, which induces an electric field in the brain. In this study, we employ moving permanent magnets to induce an electric field. Using permanent magnets for TMS could potentially remove two disadvantages of the electromagnet-based systems: acoustic noise, and heating of the coil.

The electric field from moving magnets was calculated using the spherical head model. The calculations were verified experimentally by measuring the induced electric field with a triangular detector loop. In those experiments, the magnets were dropped past the detector loop. A prototype was built with 32 magnets (20 × 20 × 20 mm, grade N52), that were rotated on a circular track at the radius of 40 cm. The rotation rate was 507 revolutions per minute. The magnets were placed on a disk in such a pattern that the rate of change of the magnetic field would be maximal at the center point.

The closest point of measurement was at 16.3 mm distance from the magnets’ surface, and the peak of the induced electric field was 2.17 ± 0.10 V/m. At 20.0 mm distance, the peak of the induced electric field was 1.72 ± 0.08 V/m. These fields are not yet strong enough to trigger action potentials in the nerve cells, but they may have some applications nevertheless. For future research, we propose some improvements with which the field strength could be increased.

Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) on ei-invasiivinen menetelmä, jolla voidaan stimuloida pieniä aivoalueita. Sitä voidaan käyttää kliinisesti sekä diagnosointiin että terapiaan. Perinteisesti TMS:ään käytetään sähkömagneettista kelaa. Muuttuva sähkövirta synnyttää muuttuvan magneettikentän, joka indusoi aivoihin sähkökentän. Tässä tutkimuksessa käytämme liikkuvia kestomagneetteja indusoimaan sähkökentän. Kestomagneeteilla tehtävällä aivostimulaatiolla voitaisiin mahdollisesti päästä eroon kahdesta sähkömagneetteihin perustuvan TMS:n ongelmasta: häiritsevästä äänestä ja kelan kuumenemisesta.

Liikkuvien magneettien tuottama sähkökenttä laskettiin käyttäen pallomallia. Laskennan tulokset tarkistettiin kokeellisesti, mittaamalla indusoitunut sähkökenttä kolmion muotoisella virtasilmukalla. Näissä kokeissa magneetti pudotettiin virtasilmukan ohitse. Tutkimuksen seuraavassa vaiheessa rakennettiin prototyyppi, jossa käytettiin 32 magneettia (20 × 20 × 20 mm, luokka N52), joita pyöritettiin ympyräradalla 40 cm:n säteellä. Kierrosnopeus oli 507 kierrosta minuutissa. Magneetit aseteltiin levylle siten, että magneettikentän muutosnopeus olisi mahdollisimman suuri levyn keskipisteessä.

Lähin mittauspiste oli 16.3 mm etäisyydellä magneettien pinnasta, ja indusoituneen sähkökentän huippuarvo oli 2.17 ± 0.10 V/m. Mentäessä 20.0 mm etäisyydelle, huipun suuruus oli 1.72 ± 0.08 V/m. Nämä kentät eivät ole vielä tarpeeksi suuria aiheuttaakseen aktiopotentiaaleja hermosoluissa. Niillä saattaa siitä huolimatta olla joitakin sovelluksia. Myöhempää tutkimusta varten ehdotamme parannuksia, joilla kentän suuruutta voitaisiin kasvattaa.