Improving the modularity and operation of multi-locus transcranial magnetic stimulation devices

Abstract

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a method for non-invasive stimulation of the brain. TMS devices utilize strong current pulses driven through a stimulation coil, which induces an electric field in the brain. A multi-locus TMS (mTMS) device exploits a set of multiple coils inducing an electric field as a linear superposition of the electric fields of the separate coils. Using multiple coils allows electronically and rapidly shifting the stimulation spot and spatial orientation. In the mTMS device developed by our TMS group at Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, the current pulse waveform through a single coil is controlled with insulated-gate bipolar transistors (IGBT) arranged in an H-bridge configuration. The IGBTs are operated as switches manipulating the paths for the current to be driven through the coil. The transistors need protection circuits to suppress transient voltage spikes during the switching. The device modules, such as IGBT drivers, are controlled with logic provided by a field-programmable gate array (FPGA), directly communicating with every device module via optical fibers. The true parallelism of the FPGA provides a way to precisely control the current waveform simultaneously in multiple coils. However, the current design is monolithic, making it cumbersome to add new modules or channels because of the demand for separate communication lines and changes required in the FPGA program. The communication lines from the FPGA into the device leave as electrical signaling, which is converted to optical, providing galvanic isolation and excellent noise characteristics. In this Thesis, a proof-of-concept serial communication architecture was designed for the mTMS device. The architecture utilizes a controller area network (CAN) protocol. The communication design includes a physical CAN bus based on the ISO 11898-2 specification and the development of a higher-layer communication protocol. The solution demonstrates data transmission for the IGBT driver modules and controlling the modules over the network. In addition, this Thesis compares the operation of two IGBT protection circuits with the same effective electrical characteristics and different circuit topologies. Finally, the operation of the electrical-to-optical conversion module is evaluated to increase the robustness of the optical communication utilized in the device. CAN was found to be a suitable choice for future mTMS devices. The currently installed protection circuits operated beyond their limits and are suggested to be replaced with the circuits introduced in this Thesis. Last, the optical transmission power of the EOC boards was increased by 100% to make the communication more robust.

Transkraniaalinen magneettistimulaatio (engl. transcranial magnetic stimulation, TMS) on ei-invasiivinen aivojen stimulointimenetelmä. Menetelmä perustuu aivoihin indusoitaviin sähkökenttiin, jotka luodaan ajamalla virtapulsseja stimulaatiokelan läpi. Monipaikkainen TMS (engl. multi-locus TMS, mTMS) hyödyntää useita stimulaatiokeloja, joiden indusoimien sähkökenttien superpositiota voidaan käyttää hyväksi stimulaation elektroniseen ja nopeaan kohdentamiseen. Aalto-yliopiston neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitoksen (NBE) TMS-ryhmän kehittämässä mTMS-laitteessa stimulaatiokeloille syötettävää virtapulssia ohjataan H-siltakytkennällä, jossa virran kulkua voidaan kontrolloida kytkiminä toimivilla IGBT-transistoreilla (engl. insulated-gate bipolar transistor). Transistorien kytkennästä syntyvät jännitepiikit rasittavat niiden toimintaa ja erillisiä vaimennuspiirejä hyödynnetään piikkien lieventämiseksi. Laitteen moduuleja, esimerkiksi IGBT-transistorien ohjauslevyjä, kontrolloi FPGA (engl. field-programmable gate array). FPGA on kytketty rinnakkaisilla kommunikaatiolinjoilla jokaiseen laitteen moduuliin. Nykyinen kommunikaatioarkkitehtuuri takaa moduulien nopean rinnakkaisen ohjauksen, mutta tekee laitteen rakenteesta monoliittisen. FPGA:lta lähtevät kommunikaatiolinjat muutetaan optisiksi sähkömagneettisten häiriöiden välttämiseksi. Optiset kuidut mahdollistavat galvaanisen eristyksen moduulien välille. Tässä työssä esitetään sarjaliikennekommunikaatioratkaisu, joka on toteutettu hyödyntäen CAN:ia (engl. controller area network). Konseptitodistus demonstroi datan siirtoa IGBT-ohjauslevyille ja levyjen kontrollointia CAN-väylän välityksellä. Lisäksi työssä tarkastellaan kahden erilaisen IGBT-vaimennuspiirin toimintaa. Lopuksi kommunikaation sähköstä optiseksi muuttavien levyjen toimintaa tarkastellaan, jotta optinen lähetysteho saadaan kasvamaan. Työn tulokset osoittavan CAN-pohjaisen kommunikaatioarkkitehtuurin olevan suotuisa ratkaisu laitteen modulaarisuuden parantamiseksi. Modulaarisuuden lisäksi CAN-väylä avaa uusia mahdollisuuksia laitteen jatkokehityksen kannalta. Työssä esitetty korkean tason protokolla mahdollistaa muiden moduulien liittämisen osaksi jo demonstroitua CAN-väylää. IGBT-vaimennuspiirien testaus osoitti laitteeseen asennettujen piirien joutuvan toimimaan mitoitustensa ylittävissä olosuhteissa, täten työssä esitettyä vaimennuspiiriä ehdotetaan korvaamaan jo olemassa olevat piirit. Optinen lähetysteho saatiin kasvatettua noin 100% alkuperäiseen verrattuna, mikä lisää optisen kommunikaation luotettavuutta lisäten levyn tehonkulutusta.