Waveform control for transcranial magnetic stimulation
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2018-11-05
Department
Major/Subject
Biosensing and Bioelectronics
Mcode
ELEC3045
Degree programme
Master's Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
54+7
Series
Abstract
Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive tool for stimulating the brain via induced electric fields generated by driving a strong current pulse through a stimulation coil. The TMS group at Aalto University has developed a multi-locus TMS (mTMS) device which exploits linear superposition of electric fields. This allows for the rotation or movement of the stimulated area to be controlled electrically by having a set of overlapping coils instead of physically moving a single coil. The device utilizes an H-bridge topology which can be used to carefully control the current through a coil by changing the path of current through the stimulator circuitry with insulated gate bipolar transistors (IGBTs), and the aim of this Thesis was to develop a method for controlling these currents in such a way that a given reference current pulse (i.e., waveform) could be approximated. For better IGBT control, new controller cards had recently been designed, and one objective of this Thesis was to test them. Additionally, in preparation for more coils to be added to the system, a coil identification system utilizing digital temperature sensors and a microcontroller was prototyped. The bulk of this Thesis, however, consists of the algorithm that was developed for IGBT control. The idea is to calculate a timing sequence for the IGBTs in such a way that a waveform generated by a lower initial voltage reference pulse is effectively simulated by periodically driving current to the coil from a high-voltage source. The non-idealities present in the circuit, however, pose a problem for approximation accuracy, and this was compensated for by further developing the model by adding a back-prediction module that tries to predict a better input sequence for the system based on previous measurements. The controller cards for the IGBTs were found to be satisfactory, and the prototyped coil identification system seems like a feasible solution even in the presence of strong magnetic fields. The waveform approximation was found to give rising-phase predictions with 0.3—7.7% relative difference in maximum amplitude compared to actual output for the sequences tested, depending on the chosen correction parameters. The falling-phase predictions varied significantly due to lack of parameter data. The tools developed in this Thesis give a good starting point for further development of waveform control in TMS.Transkraniaalinen magneettistimulaatio (engl. transcranial magnetic stimulation, TMS) on ei-invasiivinen menetelmä aivojen stimulaatioon. Menetelmä perustuu indusoituihin sähkökenttiin, jotka luodaan ajamalla suuri virtapulssi stimulaatiokäämin läpi. Aalto-yliopiston TMS-ryhmä on kehittänyt uuden sukupolven mTMS-laitetta (engl. multi-locus TMS), jossa sähkökenttien superpositioon perustuen stimulaatioaluetta voidaan siirtää ja kääntää sähköisesti hyödyntäen useita keloja. Tyypillisesti stimulaatioalueen siirto tai kääntö toteutetaan fyysisesti kelaa liikuttamalla. Yliopistolla kehitetty laite perustuu sähköiseen H-siltakytkentään, jossa sähkövirran kulkureittiä voidaan hallita kytkemällä IGBT-transistoreita (engl. insulated gate bipolar transistor) päälle tai pois päältä. Tämän diplomityön tavoite oli kehittää menetelmä piirin virrankulun hallintaan siten, että haluttu referenssipulssi (eli aaltomuoto) voidaan mallintaa. IGBT-transistoreiden parempaa hallittavuutta varten ryhmässä oli aiemmin kehitetty uudet ohjainkortit, joiden testaaminen oli yksi tämän diplomityön osa-alueista, ja lisäksi uusien kelojen lisäämistä silmälläpitäen järjestelmälle valmistettiin prototyyppi kelojen tunnistusta varten. Pääpaino työssä oli kuitenkin kehittää IGBT-transistoreiden hallintaan algoritmi, jolla kelan läpi kulkevaa virtaa voidaan tarkasti hallita. Perusidea tässä algoritmissa on, että suurella alkujännitteellä ajetaan stimulaatiokelaan virtaa vain hetkittäin, jolloin voidaan efektiivisesti simuloida tilannetta, jossa alemmalla alkujännitteellä ajetaan virtaa kelan läpi jatkuvasti. Laitteen epäideaalisuudet johtivat hyvin epätarkkaan approksimaatioon, mitä varten kehitettiin ennustusmoduuli, joka pyrkii aiempiin mittauksiin perustuen antamaan paremman ennusteen aaltomuodon käyttäytymisestä. IGBT-ohjainkortit toimivat mittausten perusteella hyvin, ja kelojen tunnistusjärjestelmä vaikuttaa ainakin ensiarvioiden perusteella hyvältä, vahvoista magneettikentistä huolimatta. Approksimointialgoritmi testatuille aaltomuodoille antoi 0.3—7.7% suhteellisen eron maksimiamplitudien välille riippuen korjausparametreista. Työssä esitetyt työkalut antavat hyvän lähtökohdan aaltomuotojen hallinnan jatkokehitykseen TMS:ssä.Description
Supervisor
Ilmoniemi, RistoThesis advisor
Nieminen, JaakkoKeywords
transcranial magnetic stimulation, waveform control, IGBT, H-bridge, mTMS