Assessing the risk of transcranial magnetic stimulation in patients with cranial implants
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
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
2025-04-24
Department
Major/Subject
Health Robotics and Signal Processing
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Health Technology Engineering
Language
en
Pages
54
Series
Abstract
Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive neuromodulation technique used in the treatment of various neurological and psychiatric diseases, as well as presurgical mapping of the cortex. Intracranial metallic objects, such as neurosurgical implants, are a contradiction to TMS, leading to certain patients being deprived of its clinical benefit. This thesis evaluated the safety of mechanically fixed cranial implants in the TMS environment, taking into account the forces exerted on and the heating of the implants. This was done theoretically through a finite element methods (FEM) analysis, and experimentally using ex vivo tests derived from standardized tests for the safety assessment of implants in the magnetic resonance imaging (MRI) environment. The ex vivo experiments included twelve common cranial implants. These were evaluated during three TMS protocols commonly employed for the treatment of medication-resistant depression: continuous 1 Hz stimulation, 10 Hz stimulation (comprising 3000 pulses, 4-second bursts with 11–26-second inter-burst intervals), and intermittent theta burst stimulation (iTBS). In addition, TMS protocols employed for presurgical speech mapping and post-neurosurgery recovery were evaluated based on the data collected from the aforementioned protocols. The results demonstrate that none of the tested implants experienced forces sufficient to compromise the integrity of the cranial screws securing them to the cortical bone. A thermal analysis showed that eleven out of the twelve implants remained below the established safety threshold of 43 °C during all TMS protocols. However, one implant, the 3D Cranial Mesh Plate (100 × 100 × 0.6 mm), exceeded this thermal threshold across all stimulation protocols, constituting a likely safety concern. These findings suggest that while most cranial implants are likely safe in the TMS environment, specific implant designs, such as large surface-area mesh plates, may require additional caution or contraindication.Trankraniell magnetstimulering (TMS) är en icke-invasiv metod för neuromodulering som används vid behandling av flera neurologiska och psykiatriska sjukdomar, samt för preoperativ kartläggning av hjärnan. Intrakraniella metallföremål, såsom neurokirurgiska implantat, utgör en kontraindikation för TMS, vilket innebär att vissa patienter blir utan nödvändig behandling. Denna avhandling utvärderar säkerheten för mekaniskt fixerade kranialimplantat i TMS-miljön, med hänsyn till de krafter som verkar på implantaten och deras uppvärmning. Detta görs teoretiskt genom en analys baserad på finitelementmetoden (FEM), och experimentellt genom ex vivo-tester baserade på standardiserade tester för säkerhetsbedömning av implantat under magnetisk resonanstomografi (MRI). Ex vivo-testerna inkluderar tolv vanliga kranialimplantat. Dessa utvärderas under tre TMS protokoll för behandling av läkemedelsresistent depression: kontinuerlig 1 Hz stimulering, 10 Hz stimulering (bestående av 3000 pulser i skurar av 40 pulser med 11–26 sekunders pauser mellan skurar) och periodisk theta-burst stimulering (iTBS). Dessutom utvärderas TMS-protokoll för preoperativ kartläggning av hjärnans språkcentrum, samt rehabilitering efter neurokirurgi, på basis av de tidigare nämnda protokollen. Resultaten visar att inget av de testade implantaten utsattes för tillräckliga krafter för att påverka skruvarnas fäste. En termisk analys visade att upphettningen för elva av tolv implantat hölls under den fastställda säkerhetsgränsen på 43 °C. Ett av implantaten, en 3D Cranial Mesh Plate (100 × 100 × 0.6 mm), överskred dock säkerhetsgränsen under samtliga protokoll, vilket utgör en trolig säkerhetsrisk. Dessa resultat tyder på att även om de flesta kranialimplantaten sannolikt är säkra vid TMS kan vissa implantatkonstruktioner, såsom de med större yta, kräva ökad försiktighet. I vissa fall kan dessa implantat fortfarande utgöra en kontraindikation för TMS.Description
Supervisor
Hämäläinen, MattiThesis advisor
Ilmoniemi, RistoJärnefelt, Gustaf
Keywords
Transcranial Magnetic Stimulation, TMS, safety, cranial implants, heating, forces