FI100458B

FI100458B - Programmable applicator for an electromagnetic field especially for the timing of the central and peripheral nervous system as well as for tissue adtherapeutic and hypothermic applications

Info

Publication number: FI100458B
Application number: FI934511A
Authority: FI
Inventors: Risto Juhani Ilmoniemi; Ferdinando Grandori
Original assignee: Risto Juhani Ilmoniemi; Italian Nat Res Council
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1993-10-13
Publication date: 1997-12-15
Also published as: FI934511A0; FI934511A

Description

, 100458, 100458

Ohjelmoitava sähkömagneettisen kentän applikaattori etenkin keskus-ja ääreishermoston stimuloimiseksi sekä kudosterapia- ja hypertermiasovellutuksiinProgrammable electromagnetic field applicator, especially for central and peripheral nervous system stimulation and for tissue therapy and hyperthermia applications

Keksinnön kohteena on patenttivaatimusten 1—5 mukainen laite sähkö-ja magneettikenttien kenttäjakauman valitsemiseksi, valitun kenttäjakauman synnyttämiseksi 5 ja portaattomaksi säätämiseksi etenkin keskus- ja ääreishermoston stimuloinnissa ja terapia-, kudosstimulaatio-ja hypertermiasovellutuksissa.The invention relates to a device according to claims 1 to 5 for selecting a field distribution of electric and magnetic fields, generating a selected field distribution and steplessly adjusting it, in particular in central and peripheral nervous system stimulation and in therapeutic, tissue stimulation and hyperthermia applications.

Ennestään tunnetusti voidaan biologiseen kudokseen ja muuhun johtavaan väliaineiseen vaikuttaa kohdistamalla siihen sähkömagneettinen kenttä, joka koostuu sähkökentästä E ja magneettikentästä B; mm. joitakin kudoksia kuten aivoja ja sydäntä voidaan stimuloida 10 sähkökentän avulla. Sähkökentän seurauksena johtavaan väliaineeseen syntyy sähkövirtatiheys J(r) = a(r)E(r), missä o(r) on johtavuus pisteessä r. Sähkövirralla on useita tunnettuja vaikutuksia väliaineessa: 1) Varaustiheys p(r) muuttuu yhtälön dp/dt = -V J mukaisesti. Tämä voi aiheuttaa suuria paikallisia muutoksia sähkökenttään Maxwellin yhtälön V-E = ρ/εο mukaisesti, siis 1S varaustihentymä aiheuttaa ympärilleen samanmerkkisiä varauksia hylkivän kentän.As is known, the biological tissue and other conductive medium can be affected by applying an electromagnetic field consisting of an electric field E and a magnetic field B; mm. some tissues such as the brain and heart can be stimulated with 10 electric fields. As a result of the electric field, an electric current density J (r) = a (r) E (r) is created in the conductive medium, where o (r) is the conductivity at the point r. Electric current has several known effects in the medium: 1) The charge density p (r) changes according to the equation dp / dt = -V J. This can cause large local changes in the electric field according to Maxwell's equation V-E = ρ / εο, i.e. 1S charge condensation causes a charge-repellent field of the same sign around it.

Tällöin esimerkiksi voi hermosolun solukalvo depolarisoitua ja sen seurauksena solu aktivoitua.In this case, for example, the cell membrane of the neuron may be depolarized and, as a result, the cell may be activated.

2) Koska varauksenkuljettajina ovat ionit, ionikonsentraatiojakauma muuttuu sähkövirran seurauksena. Tällä voi olla vaikutusta joidenkin kudosvaurioiden paranemisprosessiin.2) Since the charge carriers are ions, the ion concentration distribution changes as a result of the electric current. This may have an effect on the healing process of some tissue damage.

20 3) Väliaineen lämpötila nousee, sillä sähkövirta lämmittää väliainetta tehotiheydellä AP/AV = σΕ2.20 3) The temperature of the medium rises because the electric current heats the medium with a power density AP / AV = σΕ2.

4) Kudoksen pisteessä r olevaan tilavuusalkioon AV kohdistuu voima AF = [J(r) x B] AV.4) The force AV = [J (r) x B] AV is applied to the volume element AV at the point r of the tissue.

Ennestään tunnetusti voidaan mainittuja vaikutuksia hyödyntää seuraavasti: 25 1) Kohdistamalla hermosoluja aktivoiva sähkökenttä haluttuun paikkaan hermossa tai . ‘ aivoissa voidaan tutkia hermoston kuntoa. Jos näin aktivoidaan esim. motorisen aivokuoren sormien edustusaluetta, voidaan terveellä henkilöllä havaita signaalin etenemisajan jälkeen sormilihasten liikettä. Signaalin eteneminen ääreishermossa 2 100458 voidaan havaita myös sähkökenttää iholta mittaamalla. Poikkeava tai puuttuva reaktio 30 tai viivästynyt sähköinen signaali voi olla hyödyllisenä merkkinä hermostovauriosta.As is already known, said effects can be exploited as follows: 1) By targeting an electric field activating neurons to a desired location in the nerve or. ‘The brain can be used to study the condition of the nervous system. If, for example, the finger area of the motor cortex is activated, the movement of the finger muscles can be detected in a healthy person after the signal propagation time. The propagation of the signal in the peripheral nerve 2 100458 can also be detected by measuring the electric field from the skin. An abnormal or missing reaction or a delayed electrical signal may be a useful sign of nervous system damage.

2) Voidaan myös tutkia terveiden aivojen toimintaa häiritsemällä aivojen valittujen osien normaalia toimintaa koehenkilön suorittaman tehtävän aikana. Jos esim. näköaivokuorta häiritään ärsyttämällä sitä sähköisesti sen jälkeen kun koehenkilölle on näytetty kirjaimia eikä tämä pysty sanaa tunnistamaan, voidaan tietyillä edellytyksillä 35 päätellä, että ärsytetty osa aivokuoresta oli ärsytyksen vaikutusaikana tekemisessä sanan käsittelyn kanssa. Voidaan siis seurata, miten informaatio etenee aivojen suorittamien erilaisten tehtävien aikana.2) It is also possible to study the function of a healthy brain by interfering with the normal functioning of selected parts of the brain during a task performed by a subject. If, for example, the visual cortex is disturbed by electrically irritating it after the subject has been shown letters and is unable to recognize the word, it can be inferred under certain conditions that the irritated part of the cortex was in contact with the word during the irritation. Thus, it is possible to monitor how information progresses during various tasks performed by the brain.

3) Hypertermia-hoidossa pyritään tuhoamaan esim. syöpäsolukkoa lämmittämällä kudos 42 Celcius-asteen yläpuolelle.3) In the treatment of hyperthermia, the aim is to destroy the cancer cell, for example, by heating the tissue above 42 degrees Celsius.

40 4) Kudosstimulaatiolla voidaan saada aikaan terapeuttinen, kipua lieventävä tai hoitava vaikutus.40 4) Tissue stimulation can have a therapeutic, analgesic or therapeutic effect.

5) Joidenkin vaurioituneiden kudosten paraneminen voi nopeutua kudokseen kohdistetun sähkökentän seurauksena.5) The healing of some damaged tissues may be accelerated as a result of the electric field applied to the tissue.

Ennestään tunnetusti sähkökenttä saadaan aikaan syöttämällä kohteeseen sähkövirtaa 45 elektrodeilla.As is known, an electric field is obtained by supplying an electric current to the object with 45 electrodes.

Ennestään tunnetusti sähkökenttä saadaan aikaan myös tuottamalla kohteeseen ajasta t riippuva magneettikenttä B(r,f) asettamalla kohteen lähelle johdinsilmukka (Kuviot la ja 2a) ja syöttämällä silmukkaan yleensä pulssinomaisesti muuttuva, esim. kondensaattorin varaus purkamalla tuotettu virta, jolloin kudokseen indusoituu sähkökenttä Maxwellin 50 yhtälön V x E = -9B/9f mukaisesti. Johtimissa ja kelassa kulkeva ajasta t ja paikasta r’ riippuva sähkövirtatiheys Jc(r',f) synnyttää magneettikentän Ampere-Laplacen lain mukaisesti: B(r, t) = (μο/4π)ί Jc(r',r) x R/R3 dV, (1) missä B(r, t) on magneettikenttä paikassa r hetkellä /. R = r - r’ on vektori lähdepisteestä 55 kenttäpisteeseen. Magneettikenttä on vektoripotentiaalin A roottori: B = V x A.As is already known, an electric field is also produced by producing a time-dependent magnetic field B (r, f) at a target t by placing a conductive loop near the target (Figures 1a and 2a) and supplying a generally pulse-varying current, e.g. a capacitor charge, by discharging the generated current to the fabric. V x E = -9B / 9f. The time-dependent and current-dependent electric current density Jc (r ', f) in the conductors and coil generates a magnetic field according to Ampere-Laplace's law: B (r, t) = (μο / 4π) ί Jc (r', r) x R / D3, (1) where B (r, t) is the magnetic field at position r at time. R = r - r ’is the vector from the source point to the 55 field points. The magnetic field is the rotor of the vector potential A: B = V x A.

Sähkökenttä voidaan laskea suoraan Jc:stä seuraavasti: 3 100458 E = -dAJdt = -(μ0/4π)9/9ί i Jc(r V)//? dV. (2)The electric field can be calculated directly from Jc as follows: 3 100458 E = -dAJdt = - (μ0 / 4π) 9 / 9ί i Jc (r V) //? dV. (2)

Jos kela on tehty ohuesta johtimesta, jossa kulkee sähkövirta 7(t), indusoituneen sähkökentän lauseke saa yksinkertaisen muodon: 60 E = -(μο/4π)0/(Ο/3/ Jc dl//?, (3) jossa integrointi on pitkin johdinta c, jonka pituusalkio on dl.If the coil is made of a thin conductor carrying an electric current 7 (t), the expression of the induced electric field takes the simple form: 60 E = - (μο / 4π) 0 / (Ο / 3 / Jc dl // ?, (3) where the integration is along a conductor c of length dl.

Indusoidun sähkökentän laskemista mutkistaa se, että sen aiheuttama sähkövirta synnyttää oman, sekundäärisen magneettikenttänsä. Kaavat 1—3 eivät siis ole tarkkoja, mutta tyypillisillä eksitaatiokentän taajuuskomponenteilla (alle 10 kHz), kun kohde on biologista 65 kudosta eikä siten kovin hyvä johde, virhe on pienehkö. Suurilla taajuuksilla ajasta riippuvat termit Maxwellin yhtälöissä on otettava kokonaisuudessaan huomioon.The calculation of the induced electric field is complicated by the fact that the electric current it generates generates its own secondary magnetic field. Thus, formulas 1 to 3 are not accurate, but with typical excitation field frequency components (less than 10 kHz), when the target is a biological 65 tissue and thus not a very good conductor, the error is smaller. At high frequencies, time-dependent terms in Maxwell's equations must be considered in their entirety.

Ennestään tunnetusti synnytetään yksinkertaisella kelalla synnytettävää kenttäjakaumaa fokusoituneempi jakauma kahdeksikkokelalla (Kuvio 2a), joka muodostuu kahdesta vierekkäisestä vastakkaisiin suuntiin kierretystä virtasilmukasta. Silmukoiden välisellä 70 normaalitasolla ja sen läheisyydessä silmukoiden synnyttämät kentät vahvistavat toisiaan, kun taas kauempana kentät osittain kumoavat toisiansa. Näin syntyy yhden silmukan kenttäjakaumaan (Kuvio Ib) verrattuna kapeampi kenttämaksimi (Kuvio 2b).As is already known, a more focused distribution than the field distribution generated by a simple coil is generated by an octave coil (Fig. 2a) consisting of two adjacent current loops twisted in opposite directions. At and near the normal level 70 between the loops, the fields generated by the loops reinforce each other, while further away, the fields partially cancel each other out. This results in a narrower field maximum compared to the field distribution of one loop (Figure Ib) (Figure 2b).

Ennestään tunnetusti sähkö-ja magneettikenttiä voidaan ohjata para-, dia-ja ferromagneettisilla kappaleilla sekä johdekappaleilla.As is known, electric and magnetic fields can be controlled by para-, dia- and ferromagnetic bodies as well as conductor bodies.

75 Yhtenä ongelmana tunnetun tekniikan mukaisilla menetelmillä ja laitteilla joissakin sovellutuksissa on se, että eksitaation vaikutuspaikkaa ei voida portaattomasti säätää * elektrodeja tai keloja siirtämättä.75 One problem with prior art methods and devices in some applications is that the excitation site cannot be infinitely adjusted * without moving the electrodes or coils.

Toisena ongelmana tunnetun tekniikan mukaisilla laitteilla on se, että eksitaatiokeloihin syötettävä sähkövirta lämmittää keloja voimakkaasti rajoittaen sitä maksimitaajuutta, jolla 80 virtapulsseja voidaan antaa.Another problem with prior art devices is that the electric current supplied to the excitation coils heats the coils strongly, limiting the maximum frequency at which 80 current pulses can be delivered.

: Kolmantena ongelmana tunnetun tekniikan mukaisilla laitteilla on se, että käyttäjä ei saa havainnollista tietoa eksitaatiokentän vaikutusalueesta kohteessa.: A third problem with prior art devices is that the user does not receive illustrative information about the area of influence of the excitation field at the target.

4 1004584 100458

Keksinnön kohteena olevalla laitteella voidaan sähkö- ja magneettikenttä fokusoida tunnetun tekniikan mukaisia menetelmiä ja laitteita tarkemmin ja kätevämmin haluttuun 85 paikkaan ja kenttämaksimia ja siten kentän vaikutuspaikkaa voidaan portaattomasti siirtää ja säätää esim. elektronisesti ja ennalta laitteen muistiin tallennetun ohjelman mukaisesti ilman että elektrodeja tai keloja tarvitsee siirtää ja siten, että käyttäjä saa havainnollisesti esitetyn tiedon kenttäjakaumasta ja vaikutusalueesta kohteessa. Mikäli kelat on tehty suprajohtavasta materiaalista tai mikäli kelajoukko on varustettu jäähdytysmekanismilla, 90 voidaan eksitaatiopulsseja antaa nykyisen tekniikan sallimaa taajemmin.With the device object of the invention, the electric and magnetic field can be focused more accurately and conveniently on the desired 85 locations and field maxima and thus the field of action can be steplessly moved and adjusted e.g. electronically and according to a program stored in the device memory without the need to move electrodes or coils. and so that the user obtains the illustrated information about the field distribution and the area of influence in the object. If the coils are made of a superconducting material or if the coil set is equipped with a cooling mechanism, 90 excitation pulses can be given more frequently than allowed by the prior art.

Keksinnön kohteena on laite sähkö- ja magneettikenttien kenttäjakauman valitsemiseksi, valitun kenttäjakauman synnyttämiseksi ja portaattomaksi säätämiseksi, erityisesti sellaisia sovellutuksia varten, joilla stimuloidaan hermoja, aivoja, sydäntä tai muuta eksitoituvaa kudosta esim. tutkimus- diagnoosi-, terapia- tai hoitotarkoituksessa. Menetelmää voidaan 95 kuitenkin soveltaa yleisemminkin. Yhden sovellutusesimerkin muodostavat lämpötilan ajallispaikalliset säätöjärjestelmät, joissa johtavan väliaineen lämpötilaa voidaan muuttaa paikan ja ajan funktiona joustavasti ja portaattomasti kohdistamalla siihen säädettävä ja fokusoituvissa oleva väliainetta lämmittävä sähkökenttä. Hypertermia on yksi lääketieteellinen sovellutusesimerkki, jossa lämpötilan paikallinen kohottaminen aiheuttaa 100 syöpäkudoksen tuhoutumista.The invention relates to a device for selecting a field distribution of electric and magnetic fields, generating a selected field distribution and steplessly adjusting it, in particular for applications which stimulate nerves, the brain, the heart or other excitable tissue, e.g. for research, diagnostic, therapeutic or therapeutic purposes. However, the method can be applied more generally. One application example is time-local temperature control systems in which the temperature of a conductive medium can be changed flexibly and steplessly as a function of place and time by applying an adjustable and focusable electric field heating the medium. Hyperthermia is one example of a medical application in which a local rise in temperature causes the destruction of 100 cancerous tissues.

Esillä olevan keksinnön ymmärtämiseksi on eduksi tarkastella yksittäisellä kelasilmukalla, kahdeksikkokelalla sekä elektrodiparilla synnytettäviä sähkö-ja magneettikenttiä. Nämä tunnetut kenttäjakaumat tarjoavat vertailukohdan esillä olevan keksinnön kohteena olevan menetelmän tarkoittamille fokusoitaville ja portaattomasti säädettäville ja kohdennettaville , 105 kenttäjakaumille.To understand the present invention, it is advantageous to consider the electric and magnetic fields generated by a single coil loop, an octagonal coil, and a pair of electrodes. These known field distributions provide a point of reference for the field distributions to be focused and infinitely adjustable and targeted by the method of the present invention.

Kuvioissa 1—2 vertaillaan yksinkertaiseen virtasilmukkaan ja kahdeksikkokelaan syötetyn muuttuvan sähkövirran indusoimaa sähkökenttäjakaumaa eräässä erikoistapauksessa.Figures 1-2 compare the electric field distribution induced by a variable electric current applied to a simple current loop and an octagonal coil in a special case.

Kuvio 3 esittää elekrodiparilla synnytettyä sähkökentän jakaumaa pallomaisena kuvatussa päässä. Oleellista esillä olevan keksinnön ymmärtämisen kannalta on se tunnettu seikka, ' 110 että magneettikentän välityksellä indusoituva sähkökenttä on verrannollinen eksitaatiokelaan syötettyyn virtaan ja että elektrodien avulla aikaansaatu sähkökenttä on verrannollinen elektrodin kautta syötettävään virtaan. Toisin sanoen ilmiö on lineaarinen: jos yhteen kelaan tai elektrodikytkentään syötettävän virran amplitudia kasvatetaan, pysyy 5 100458 kohteeseen syntyvä sähkökenttäjakauma samanmuotoisena, mutta kentän amplitudi 115 jokaisessa kohteen pisteessä kasvaa verrannollisena syöttövirtaan. Sen lisäksi, että yhden eksitaatiokanavan synnyttämä kenttäjakauma on lineaarinen tuohon kanavaan syötettyyn virtaan nähden, on useaan kanavaan samanaikaisesti syötettyjen eksitaatiovirtojen synnyttämä kokonaiskenttäjakauma erikseen syötettyjen kenttäjakaumien vektorisumma.Figure 3 shows the distribution of the electric field generated by the electrode pair at the spherical end. Essential to the understanding of the present invention is the known fact that the electric field induced by the magnetic field is proportional to the current supplied to the excitation coil and that the electric field produced by the electrodes is proportional to the current supplied through the electrode. In other words, the phenomenon is linear: if the amplitude of the current applied to one coil or electrode connection is increased, the electric field distribution generated at 5,100,458 targets remains the same, but the field amplitude 115 at each target point increases in proportion to the supply current. In addition to the fact that the field distribution generated by one excitation channel is linear with respect to the current applied to that channel, the total field distribution generated by the excitation streams fed simultaneously to multiple channels is the vector sum of the separately distributed field distributions.

Esillä olevan keksinnön mukaisessa laitteessa käytetään useita eksitaatiokeloja ja/tai 120 elektrodeja yhdessä siten, että kenttä voidaan fokusoida haluttuun pisteeseen, jonka paikka on portaattomasti valittavissa, ja siten, että kenttävektori orientoidaan haluttuun suuntaan syöttämällä kuhunkin yksittäiseen virtasilmukkaan sellainen virta, että silmukoiden yhdessä muodostama summakenttä saavuttaa maksimin halutussa kohdassa ja jopa halutun suuntaisena. Hajakenttää voidaan tietyissä rajoissa valikoidusti säätää 125 pienemmäksi valituissa kohdissa. Käyttäjä voi esimerkiksi tutkia kohta kohdalta testipulsseilla kokeillen, miten herkkiä kallon ulkopuolinen ihoja lihakset ovat hajakentälle. Rajoitusehtona voidaan sitten käyttää sitä, että lopullinen eksitaatiokenttä ei saa aiheuttaa kipua tai lihasliikkeitä tai silmänliikkeitä eikä muita haitallisia tai ei-toivottuja vaikutuksia. Keksintö antaa mahdollisuuden säätää kenttämuoto siten, että haitta- tai 130 sivuvaikutukset ovat hyväksyttävällä tasolla.In the device of the present invention, a plurality of excitation coils and / or 120 electrodes are used together so that the field can be focused to a desired point whose position is steplessly selectable and the field vector is oriented in the desired direction by applying a current to each current loop so that the sum of the loops maximum at the desired point and even in the desired direction. The scatter field can be selectively adjusted 125 smaller at selected points within certain limits. For example, the user can examine point-by-step test pulses by experimenting with how sensitive the extracranial skins muscles are to the diffuse field. It can then be used as a restriction condition that the final excitation field must not cause pain or muscle or eye movements or other adverse or undesirable effects. The invention makes it possible to adjust the field shape so that adverse or 130 side effects are at an acceptable level.

Esillä oleva keksintö mahdollistaa myös sellaiset nopeat stimulaatiosekvenssit, joissa perättäiset ärsykkeet suunnataan korteksin eri kohtiin keloja siirtämättä. Ensimmäinen eksitaatiopulssi voidaan kohdistaa yhteen paikkaan, toinen toiseen paikkaan, kolmas kolmanteen jne.; nämä pulssit voivat olla esim. 100 millisekunnin aikavälein, jolloin on 135 mahdollista tutkia joitakin dynaamisia ilmiöitä, joissa aivoalueiden väliset transmissio- ja . käsittelyajat ovat oleellisia. Toinen mahdollisuus on antaa pulssit hyvin lyhyin aikavälein, esim. millisekunnin välein, jolloin aivojen joidenkin toimintojen kannalta ne olisivat käytännössä samanaikaisia. Näin voitaisiin siis jäljestää kahden tai useamman kohdan tai solupopulaation oleellisesti samanaikainen ärsytys, vaikka solupopulaatiot olisivatkin 140 samassa tai lähes samassa paikassa siten eri suuntaisina, ettei niitä voida täsmälleen samanaikaisesti stimuloida. Voidaan myös superponoida kahta tai useampaa kohdetta : ärsyttävät stimulukset ja antaa siten monen pisteen ärsytys kerralla.The present invention also allows for rapid stimulation sequences in which successive stimuli are directed to different sites in the cortex without moving the coils. The first excitation pulse can be applied to one location, the second to another location, the third to a third, etc .; these pulses can be, for example, at intervals of 100 milliseconds, making it possible to study some dynamic phenomena in which transmissions between brain regions. processing times are essential. Another possibility is to give pulses at very short intervals, e.g. every millisecond, so that for some functions of the brain they would be practically simultaneous. Thus, substantially simultaneous stimulation of two or more sites or cell populations could be tracked, even if the cell populations are 140 in the same or nearly the same location in such different directions that they cannot be stimulated at exactly the same time. Two or more targets can also be superimposed: irritating stimuli, thus giving multiple points of irritation at once.

> Seuraavassa esitetään eräs käytännölinen tapa laskea kuhunkin eksitaatiokelaan ja elektrodikanavaan syötettävän virran amplidudi. Lähtökohtana on se, että käyttäjä ilmaisee 6 100458 145 laskentalaitteelle synnytettävän sähkökentän maksimin paikan rm ja halutun sähkökentän suunnan em siinä. Lasketaan aluksi, millaisia sähkö-ja magneettikenttiä syntyisi, jos pisteessä r olisi em-suuntainen yksikkövirtadipoli, siis pieni aktiivinen virtaelementti pisteestä r pisteeseen r+ÄLem, jossa kulkisi virta I = 1/AL, jolloin virran ja elementin pituuden tulo olisi yksi. Pisteessä r olisi tällöin nielu virralle / ja pisteessä r+ALem 150 vastaavasti lähde; virta palaisi lähteestä nieluun ympäröivää johtavaa väliainetta pitkin.> The following is a practical way to calculate the amplitude of the current supplied to each excitation coil and electrode channel. The starting point is that the user indicates the maximum position rm of the electric field to be generated on the calculator 6 100458 145 and the desired electric field direction em therein. Let us first calculate what kind of electric and magnetic fields would be generated if r had a unit current dipole in the em direction, i.e. a small active current element from r to r + ÄLem, where current I = 1 / AL would flow, where the product of current and element length would be one. At point r there would then be a drain for the current / and at point r + ALem 150 a source, respectively; the current would return from the source to the pharynx along the conductive medium surrounding it.

Tällaisen virtadipolin sähkö-ja magneettikenttä voidaan laskea tunnettuja menetelmiä käyttäen automaattisesti, kun vielä tunnetaan väliaineen johtavuus paikan funktiona. Sitten määrätään eri keloihin ja/tai elektrodeihin syötettävä virta-amplitudi sellaiseksi, että kohteeseen syntyvä virtatiheysjakauma näillä syöttövirta-amplitudeilla on sellainen, että 155 saman virtatiheysjakauman omaava aktiivinen lähdevirta kudoksessa synnyttäisi saman magneettivuon kussakin eksitaatiokelassaja saman jännitteen kussakin eksitaatioelektrodikanavassa kuin mitä laskentalaitteeseen syöttötietona annetun halutun eksitaatiovirtatiheysjakauman kaltainen lähdevirtajakauma synnyttäisi. Näin saatua eksitaatiovirtajakaumaa voidaan laskentalaitteen avulla vuorovaikutteisesti tai 160 automaattisesti edelleen haluttaessa säätää siten, että kenttäjakauman tai virtatiheysjakauman halutut ominaisuudet tulevat optimoiduiksi tai käyttäjän vaatimusten mukaisiksi tai mahdollisimman lähelle niitä.The electric and magnetic field of such a current dipole can be calculated automatically using known methods while the conductivity of the medium as a function of location is still known. The current amplitude to be applied to the different coils and / or electrodes is then determined such that the current density distribution at these supply current amplitudes is such that 155 active source current in the tissue with the same current density distribution would generate a the source current distribution would generate. The excitation current distribution thus obtained can be further adjusted interactively or automatically, if desired, by means of a calculating device, so that the desired properties of the field distribution or current density distribution become optimized or in accordance with the user's requirements or as close to them as possible.

Mikäli käyttäjä niin haluaa, hän voi määritellä esim. haluamansa magneettikentän gradientin maksimipalkan tai muita kentän toivottuja ominaisuuksia, ja laskentalaitteelle 165 voidaan kehittää algoritmeja, joilla käyttäjän toivoma kenttäkuvio saadaan mahdollisimman tarkasti toteutettua.If the user so wishes, he can determine, for example, the maximum salary of the desired magnetic field gradient or other desired field properties, and algorithms can be developed for the calculator 165 to realize the field pattern desired by the user as accurately as possible.

• Esillä olevan keksinnön mukainen laite voidaan tehdä myös sellaiseksi, että laitteen käyttäjä säätää vuorovaikutteisesti fokusointipisteen paikkaaja säätää hajakenttää samalla seuraten tietokoneen monitorilta, miten stimulaatiokenttä muuttuu. Tietokone laskee 170 kentän, kun tunnetaan kuhunkin eksitaatiokanavaan syötetty jännite tai virta sekä kohteen sähkönjohtavuus paikan funktiona. Lääketieteellisissä sovellutuksissa stimulaatiokentän muotoja voimakkuus voidaan esittää anatomisten poikkileikkauskuvien päälle • superponoituna. Käyttäjä voi myös antaa koestimulaatioita ja koestimulaatioista saatujen tulosten perusteella edelleen säätää stimulaatiokentän muotoa ennen lopullisen tai 175 lopullisten stimulusten antamista.• The device of the present invention can also be made such that the user of the device interactively adjusts the focus point and adjusts the stray field while watching from the computer monitor how the stimulation field changes. The computer calculates 170 fields when the voltage or current applied to each excitation channel and the electrical conductivity of the target as a function of location are known. In medical applications, the intensity of the stimulation field shapes can be shown superimposed on anatomical cross-sectional images. The user can also administer test stimuli and, based on the results of the test stimuli, further adjust the shape of the stimulation field before administering the final or 175 final stimuli.

7 1004587 100458

Keksinnön ensimmäiselle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että kohteeseen synnytetään nopeasti muuttuva magneettikenttä useilla kohteen ulkopuolella olevilla keloilla, joihin kuhunkin syötetään erikseen siten määrättyjä säädetty sähkövirta, että syntyvällä magneettikentällä on käyttäjän haluama ja valitsema jakauma kohteessa.The first embodiment of the invention is characterized in that a rapidly changing magnetic field is generated in the object by a plurality of coils outside the object, each of which is separately supplied with a controlled electric current so determined that the generated magnetic field has a desired and selected distribution in the object.

180 Keksinnön toiselle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että kelojen lisäksi tai sijasta käytetään joko ohmisesti tai kapasitiivesti kytkettyjä elektrodeja, joihin sähkövirtaa syöttämällä saadaan aikaan sähkökenttä kudoksessa. Näin on mahdollista vielä parantaa keloilla saavutettavaa fokusointiresoluutiota sekä.saada aikaan virtakuvioita, jotka olisivat mahdottomia pelkästään magneettisella stimulaatiolla. Elektrodeihin syötettävän virran 185 vaihe valitaan siten, että niiden synnyttämä sähkökenttä on halutussa, yleensä samassa, vaiheessa magneettikentän indusoiman sähkökentän kanssa.180 Another embodiment of the invention is characterized in that, in addition to or instead of coils, either ohmically or capacitively connected electrodes are used, to which an electric field is produced in the tissue by supplying an electric current. In this way, it is possible to further improve the focusing resolution achieved by the coils and to provide current patterns that would be impossible with magnetic stimulation alone. The phase of the current 185 applied to the electrodes is selected so that the electric field generated by them is at a desired, generally the same, phase as the electric field induced by the magnetic field.

Keksinnön kolmannelle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että keloista tehdään pieniä ja kelojen välimatkat tehdään pieniksi siten, että niillä yksin tai yhdessä aivokuoreen kiinnitetyillä elektrodeilla voidaan valikoidusti ja tarkasti stimuloida aivokuorta 190 aivoleikkauksen, esim. epilepsialeikkauksen, aikana. Kun kelat saadaan lähelle kohdetta, tarvittavat virrat ovat huomattavasti pienempiä kuin pään ulkopuolelta stimuloitaessa sekä synnytettävä sähkömagneettinen kenttä voidaan fokusoida tarkemmin kuin suurilla, kauempana kohteesta olevilla elektrodeilla.A third embodiment of the invention is characterized in that the coils are made small and the distances between the coils are made small so that they can be selectively and accurately stimulated in the cortex 190 during brain surgery, e.g. epileptic surgery, with electrodes attached to the cortex alone or together. When the coils are brought close to the target, the currents required are considerably lower than when stimulated from outside the head, and the electromagnetic field generated can be focused more accurately than with large electrodes further away from the target.

Keksinnön neljännelle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että käyttökertojen välillä 195 voidaan muuttaa eksitaatiogeometriaa, siis kelojen ja elektrodien paikkoja, muotoja ja lukumäärää tai jotain näistä.The fourth embodiment of the invention is characterized in that the excitation geometry, i.e. the positions, shapes and number of coils and electrodes, or some of these, can be changed between uses 195.

Keksinnön viidennelle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että magneettikenttää synnyttävät virtakelat on tehty suprajohtavasta materiaalista, esimerkiksi korkean lämpötilan suprajohteesta. Tällöin ei syöttökeloissa ole oleellisia tehohäviöitä 200 lämmittämässä keloja, joten kelojen kuumeneminen ei rajoita pulssien toistotaajuutta. Suprajohtavat kelat voidaan myös tehdä ohuemmiksi kuin resistiivisestä materiaalista tehdyt kelat, joten niiden muoto voidaan valita vapaammin.The fifth embodiment of the invention is characterized in that the current coils generating the magnetic field are made of a superconducting material, for example a high temperature superconductor. In this case, there are no significant power losses in the supply coils 200 when heating the coils, so that the heating of the coils does not limit the repetition frequency of the pulses. Superconducting coils can also be made thinner than coils made of resistive material, so their shape can be chosen more freely.

Keksinnön kuudennelle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että magneettikenttää synnyttävät virtakelat on varustettu jäähdytysmekanismilla, esim. vesi- tai g 100458 205 nestetyppijäähdytyksellä. Tällöin kelojen resistanssi laskee ja vähentyvä kelojen kuumeneminen mahdollistaa pulssien toistotaajuuden kohottamisen.The sixth embodiment of the invention is characterized in that the current coils generating the magnetic field are provided with a cooling mechanism, e.g. water or g 100458 205 liquid nitrogen cooling. In this case, the resistance of the coils decreases and the decreasing heating of the coils makes it possible to increase the repetition frequency of the pulses.

Keksinnön seitsemännelle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että magneettivuota ohjataan ferromagneettisilla tai muilla magneettisilla kappaleilla tai johtavilla kappaleilla.The seventh embodiment of the invention is characterized in that the magnetic flux is guided by ferromagnetic or other magnetic bodies or conductive bodies.

Näin vuo saadaan ohjattua kapeampana vuokimppuna lähemmäksi ihon pintaa kuin mitä 210 tavallisilla keloilla on mahdollista ja joissakin tapauksessa jopa kohteen sisälle.In this way, the flux can be directed in a narrower bundle closer to the surface of the skin than is possible with 210 ordinary coils and in some cases even inside the object.

Keksinnön kahdeksannelle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että sähkömagneettisen kentän fokusointipistettä ja kenttäjakauman muotoa säädetään laskentalaitteen, yleensä tietokoneen, avulla automaattisesti tai interaktiivisesti. Käyttäjä voi esimerkiksi ilmoittaa laskentalaitteelle eksitaatiovirran suunnan ja paikan kudoksessa, jonka perusteella 215 laskentalaite esittää kyseiseen paikkaan fokusoituneen toivotun suuntaisen eksitaatiokenttäjakauman. Jos käyttäjä nyt huomaa hajakentän olevan voimakas sellaisessa kohdassa, johon vaikuttamista halutaan erityisesti välttää, voi käyttäjä ilmoittaa laskentalaitteelle hajakentän maksimiarvon ko. kohdassa, jonka jälkeen laskentalaite modifioi eksitaatiokuviota tämän vaatimuksen mukaisesti ja esittää saadun kuvion 220 käyttäjälle. Nämä eksitaatiokuviot voidaan esittää lukuina, mutta tyypillisesti ne esitetään graafisesti, mahdollisesti vielä superponoituna kohteen anatomisille leikkauskuville, esimerkiksi röntgentomografia- tai magneettiresonanssikuville. Tällaisista kohteen rakenteen kolmiulotteisesti esittävistä kuvista on käyttäjän helppo valita haluamansa eksitaatiokohde ja ilmoittaa se esim. suoraan kuvasta erityisellä osoituslaitteella kuten 225 kursorinäppäimillä ohjatulla kursorilla osoittamalla.The eighth embodiment of the invention is characterized in that the focus point of the electromagnetic field and the shape of the field distribution are adjusted automatically or interactively by means of a calculating device, usually a computer. For example, the user may inform the computing device of the direction and location of the excitation current in the tissue, based on which the computing device 215 displays the excitation field distribution focused on that location in the desired direction. If the user now notices that the stray field is strong at a point where it is particularly desirable to avoid it, the user can inform the calculating device of the maximum value of the stray field in question. at which point the computing device modifies the excitation pattern according to this requirement and presents the obtained pattern 220 to the user. These excitation patterns can be represented in numbers, but are typically represented graphically, possibly still superimposed on anatomical sectional images of the subject, for example, X-ray tomography or magnetic resonance images. From such images showing the structure of the object in three dimensions, it is easy for the user to select the desired excitation object and to indicate it, for example, directly from the image by pointing with a special pointing device such as a cursor controlled by 225 cursor keys.

Keksinnön yhdeksännelle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että sähkömagneettisen kentän kohdennusmenetelmää ja -laitetta käytetään magneto- ja/tai elektroenkefalografialaitteiston yhteydessä siten, että fokusointipisteet määrätään laskennallisesti aivojen synnyttämien magneettikenttien perusteella. Näin voidaan 230 esimerkiksi kohdentaa sähkömagneettinen kenttä sellaiseen paikkaan kuten esimerkiksi epilepsiafokukseen, jonka on mittausten perusteella havaittu olevan aktiivinen.The ninth embodiment of the invention is characterized in that the electromagnetic field targeting method and apparatus are used in connection with magneto and / or electroencephalography apparatus so that the focusing points are determined computationally on the basis of the magnetic fields generated by the brain. Thus, for example, the electromagnetic field 230 can be targeted to a location, such as the epilepsy focus, which has been found to be active by measurements.

: Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin kuvioihin, joista käy ilmi keksinnön eräs edullinen suoritusmuoto.: In the following, the invention will be described in detail with reference to the accompanying figures, which show a preferred embodiment of the invention.

9 1004589 100458

Kuvio la esittää tunnettua tekniikkaa, jossa yksinkertaisella virtakelalla synnytetään 235 vaihtuva magneettikenttä kohteessa, jossa kohteeseen indusoituu sähkökenttä E. Kohteen P läheisyyteen asetetaan kela 1, johon virransyöttölaite 2 syöttää virtaa kaapelia 3 pitkin.Fig. 1a shows a prior art in which a simple current coil generates 235 alternating magnetic fields in a target where an electric field E is induced in the target. A coil 1 is placed in the vicinity of the target P, to which the power supply device 2 supplies current via a cable 3.

* Kuvio Ib esittää indusoituneen sähkökentän E jakaumaa paikan funktiona Kuvion 1 a esittämässä tunnetun tekniikan mukaisessa tilanteessa, kun eksitaatiokela on 10 millimetrin etäisyydellä säteeltään 90-millimetrisen pallonmuotoisen johdekappaleen P 240 pinnasta ja kenttäjakauma on laskettu pallopinnalla, jonka etäisyys johdekappaleen pinnalta sisäänpäin on 15 mm. Kunkin nuolen pituus on verrannollinen nuolen keskipisteen kohdalla vaikuttavaan sähkökenttään ja nuolen suunta osoittaa kentän suunnan.* Fig. Ib shows the distribution of the induced electric field E as a function of position in the prior art situation shown in Fig. 1a, when the excitation coil is 10 mm from the surface of the 90 mm spherical conductor P 240 and the field distribution is calculated on a spherical surface 15 mm inwards from the conductor surface. The length of each arrow is proportional to the direction of the arrow into the active center of the electric field and the direction of the arrow indicates the direction of the field.

Kenttäjakauma on piirretty sellaisesta kulmasta katsoen, että eksitaatiokela on kuvion keskikohdan yläpuolella.The field distribution is drawn from such an angle that the excitation coil is above the center of the figure.

245 Kuvio 2a esittää tunnettua tekniikkaa, jossa kohteeseen P synnytetään vaihtuva magneettikenttä kahdeksikkokelalla 4.245 Figure 2a shows a prior art in which an alternating magnetic field is generated at the object P by an octagonal coil 4.

Kuvio 2b esittää sähkökentän E jakaumaa paikan funktiona Kuvion 2a esittämässä tunnetun tekniikan mukaisessa tilanteessa, kun eksitaatiokela on 10 millimetrin etäisyydellä säteeltään 90-millimetrisen pallonmuotoisen johdekappaleen P pinnasta ja 250 kenttäjakauma on laskettu pallopinnalla, jonka etäisyys johdekappaleen P pinnalta sisäänpäin on 15 mm. Huomaa, että sähkökenttäkenttä E on kohdistunut selvästi pienemmälle alueelle kuin Kuviossa Ib.Fig. 2b shows the distribution of the electric field E as a function of position in the prior art situation shown in Fig. 2a when the excitation coil is 10 mm from the surface of a 90 mm spherical conductor P and the field distribution 250 is calculated on a spherical surface 15 mm inwards from the surface P. Note that the electric field E is applied to a much smaller area than in Figure Ib.

Kuvio 3 esittää kaavamaisesti sähkökenttää E kohteessa P, kun sähkökenttä E synnytetään syöttämällä sähkövirtaa virtalähteestä 5 kahden elektrodin 6 kautta.Fig. 3 schematically shows an electric field E in the object P when the electric field E is generated by supplying an electric current from the power supply 5 through two electrodes 6.

255 Kuvio 4a esittää keksinnön erästä edullista toteutusmuotoa, jossa kohteeseen P synnytetään nopeasti muuttuva magneettikenttä syöttämällä virransyöttölaitteilla 8 sähkövirtaa keloihin 9, jotka ovat kohteen P ulkopuolella, sekä elektrodeihin 10, jotka ovat kohteen pinnalla. Eri virransyöttölaitteiden 8 virta-amplitudin ja aaltomuodon säätää virransäätöyksikkö 11, jota puolestaan ohjaa laskentalaite 12. Laskentalaite esittää lasketun . . 260 kohteeseen P indusoituvan virtakuvion näyttölaitteella 13.255 Fig. 4a shows a preferred embodiment of the invention, in which a rapidly changing magnetic field is generated in the object P by supplying electric current to coils 9 outside the object P and to electrodes 10 on the surface of the object by means of power supply devices 8. The current amplitude and waveform of the various power supply devices 8 are controlled by a current control unit 11, which in turn is controlled by a calculating device 12. The calculating device displays the calculated one. . 260 with a current pattern display device inducible at P 13.

Kuvio 4b esittää sähkökentän E jakaumaa paikan funktiona kolmella eri virransyötön valinnalla Kuvion 4a esittämässä tilanteessa, kun kun eksitaatiokelat ovat 10 millimetrin 100458 10 etäisyydellä säteeltään 90-millimetrisen pallonmuotoisen johdekappaleen P pinnasta ja kenttäjakauma on laskettu pallopinnalla, jonka etäisyys johdekappaleen P pinnalta 265 sisäänpäin on 15 mm. Havaitaan, miten keloja siirtämättä on mahdollista siirtää kentän E maksimia M ja että kenttä on vielä paremmin kohdistunut kuin Kuviossa 2b.Fig. 4b shows the distribution of the electric field E as a function of location with three different power supply selections in the situation shown in Fig. 4a when the excitation coils are 10 mm 100458 10 from the surface of a 90 mm spherical conductor P and the field distribution is calculated from the surface P . It is observed how it is possible to move the maximum M of the field E without moving the coils and that the field is even better aligned than in Fig. 2b.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetyistä.The following claims set forth within the scope of the inventive idea defined by the invention may vary and differ from those set forth above by way of example only.

Claims

1. Device for selecting the field distribution of electric and magnetic fields, generating the selected field distribution and steplessly adjusting according to the program stored in the device, supplying power to fixed positions and 5 positions for one operation but to positions and current coils (9) 10), especially in central and peripheral nervous system stimulation and in therapy, tissue stimulation and hyperthermia applications, characterized in that the calculating device (12) calculates simultaneous currents applied to different coils and electrodes based on input data 10 received from the user and controls the current supply via the current control unit (11) according to the results of the calculation so that the sum of the electromagnetic sub-fields due to the supply of current to the different coils (9) and the electrodes (10) is as accurate as possible; the position distribution characteristics of the stimulation field provided by the user to the computing device as input data, such as the maximum salary or salaries of the field and the desired direction or directions of the field 15 at the scattered field at different points or within the required limits.

Device according to Claim 1, characterized in that 1) the current amplitude applied to the different coils (9) and / or the electrodes (10) is determined by a calculation device (12) such that the current density distribution in the object is such that the active source current in the tissue has the same current density distribution would generate the same magnetic flux in each of the 20 excitation coils and the same voltage in each excitation electrode channel as a field current distribution similar to the desired excitation current density distribution given to the input device (12). the desired features 25 become optimized or meet or as close as possible to the user's requirements.

Device according to one of Claims 1 to 2, characterized in that a program can be stored in the device according to which the calculating device (12) and the current control unit (11) control the power supply devices (8) so as to provide a stimulation sequence within which the stimulation field locations and field direction or directions may change. 12 100458

Device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the location or locations of the maximum stimulation field are selected on the basis of anatomical or functional mapping such as X-ray tomography, magnetic resonance imaging, positron emission tomography, magnetoencephalography, electroencephalography or other imaging methods. the excitation field determined by the input data is displayed to the user on the display device (13) together with a functional or anatomical mapping image drawn or shown for that purpose and so that the user can 40 change the excitation field by informing the computing device (12) of increasing, weakening, inverting or otherwise changing the excitation field or at points in the anatomical mapping image.

Device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the calculating device (12) calculates the focusing points on the basis of the results of magneto and / or electroencephalographic measurements so that the stimulation field is located at the same location as the sources of the measured fields. 100458 13