Designing and building mTMS transducers for bihemispheric brain stimulation

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-01-23
Department
Major/Subject
Biomedical engineering
Mcode
SCI3059
Degree programme
Master’s Programme in Mathematics and Operations Research
Language
en
Pages
43
Series
Abstract
Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive method for stimulating the brain. In TMS, a strong current pulse is applied through coils to generate a magnetic field that induces a stimulating electric field in the brain. TMS has many applications in neuroscience and therapy, including functional brain imaging. TMS is applied by placing the stimulation coil manually over the patient’s scalp on the desired stimulation region. Thus, the translation and rotation of the stimulating electric field are achieved by repositioning the coil manually. Recently, multi-locus TMS (mTMS) has been developed, wherein instead of a single stimulation coil, multiple coils are used simultaneously. This allows the user to electronically alter the stimulation location and orientation, providing an advantage over conventional TMS. The stimulation can be altered on a millisecond timescale, enabling the study of connectivity between different brain regions. Existing mTMS transducers are flat, which decreases the coil’s coupling to the brain due to the windings being further away from the brain on the edges. A curved three-dimensional transducer would bring the coil windings closer to the brain and thus improve the coupling. This thesis aims to design a curved mTMS transducer, specifically tailored for paired motor cortex to motor cortex stimulation, where two transducers are placed on the head, one on each hemisphere. We constructed two different prototypes of this transducer. The designed mTMS transducer consist of three coils: two figure-of-eight coils and one round coil. The two figure-of-eight coils had a good correspondence to the computational model with respect to the stimulation strength. The third round coil had a smaller stimulation strength than computationally modelled. The field patterns and field directions corresponded between the prototype and computational model. A second prototype of the mTMS transducer was built to enhance electrical safety and allow for applications in studies with healthy participants. In addition to the new transducer prototypes, the other outcome of this thesis for the coil design process was a problem-specific approach through three-dimensional curved coil geometry. Where the coil was tailor-made for a specific purpose for maximal efficiency and functionality of the transducer.

Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) on kajoamaton aivostimulaatiomenetelmä. TMS toimii ajamalla käämin läpi voimakas virtapulssi, joka indusoi aivoihin sähkökentän. TMS:ää käytetään sekä neurotieteen tutkimuksessa että lääketieteellisissä sovelluksissa. Viime vuosina monikanavainen TMS (mTMS) on kehitetty. Siinä käytetään useampaa stimulaatiokelaa yhden yksittäisen stimulaatiokelan sijaan. Useamman kelan käyttäminen yhdessä mahdollistaa stimulaation elektronisen säätelyn esimerkiksi liikuttamalla sekä pyörittämällä. Tämän opinnäytetyön tavoitteena on kehittää kaareva mTMS-kela, jota voitaisiin käyttää molempien liikeaivokuorien stimuloimiseen samanaikaisesti kahdella erillisellä identtisellä kelastolla. Tässä opinnäytetyössä valmistimme kaksi eritasoista prototyyppiä kyseisestä mTMS-kelasta. Suunniteltu mTMS kela koostuu kolmesta yksittäisestä kelasta, joista kaksi on kahdeksikon muotoisia ja yksi on ympyrän muotoinen. Kahdeksikkokelojen mitattu sähkökentän voimakkuus vastasi laskennallista mallia. Ympyräkelan sähkökentän voimakkuus oli alhaisempi kuin laskennallisesti mallinnettu vastine. Kenttäkuviot ja kentän suunnat vastasivat toisiaan rakennettujen kelojen ja laskennallisen mallin välillä. Lisäksi toinen sähköturvallisempi prototyyppi kelastosta valmistettiin, jotta laitetta voitaisiin soveltaa koehenkilöiden stimuloimiseen. Sivutuotteena opinnäytetyössä syntyi kelasuunnitteluun ongelmakeskeinen lähestymistapa kolmiulotteisten kelageometrioiden kautta. Tässä stimulaatiokela suunnitellaan ja valmistetaan tiettyä sovellusta varten. Näin kelasta tulee mahdollisimman tehokas ja toimiva ilman tarpeettomia kompromisseja.
Description
Supervisor
Stenroos, Matti
Thesis advisor
Souza, Victor
Keywords
brain stimulation, transcranial magnetic stimulation, multi-locus transcranial magnetic stimulation, primary motor cortex stimulation
Other note
Citation