WO2024042037A1 - Tms-spule und tms-system - Google Patents

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WO2024042037A1
WO2024042037A1 PCT/EP2023/072938 EP2023072938W WO2024042037A1 WO 2024042037 A1 WO2024042037 A1 WO 2024042037A1 EP 2023072938 W EP2023072938 W EP 2023072938W WO 2024042037 A1 WO2024042037 A1 WO 2024042037A1
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WO
WIPO (PCT)
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coil
turns
group
electrical line
area
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/072938
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan M. Götz
Max KÖHLER
Original Assignee
Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau filed Critical Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau
Publication of WO2024042037A1 publication Critical patent/WO2024042037A1/de

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N2/00—Magnetotherapy
    • A61N2/02—Magnetotherapy using magnetic fields produced by coils, including single turn loops or electromagnets
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N2/00—Magnetotherapy
    • A61N2/004—Magnetotherapy specially adapted for a specific therapy
    • A61N2/006—Magnetotherapy specially adapted for a specific therapy for magnetic stimulation of nerve tissue

Definitions

  • the present invention relates to a coil for transcranial magnetic stimulation of a human brain and a corresponding system comprising such a coil and a corresponding method.
  • Transcranial magnetic stimulation is a non-invasive treatment method for the human brain and is used for various treatment purposes. For example, this makes it possible to effectively treat affective disorders, in particular clinical depression, obsessive-compulsive disorder or post-traumatic stress disorder.
  • the mode of operation of transcranial magnetic stimulation is essentially based on the fact that neurons and neuronal circuits of defined brain areas, which themselves can include several neurons and are also referred to as neuronal excitation circuits, are stimulated from the outside by means of an externally generated (electro)magnetic alternating field, so that the stimulated neutrons in turn emit signals. The resulting signals are transmitted and processed by other neurons and neuronal circuits in the brain.
  • neurons and neuronal circuits can be neuromodulated if necessary. The result is that neuromodulated neurons and neuronal circuits, in particular also endogenous, i.e.
  • transcranial magnetic stimulation eliminates the need to take additional psychotropic drugs, which are known to have negative effects on human well-being.
  • Transcranial magnetic stimulation is the subject of extensive research, particularly with regard to the biophysical modeling of neurostimulation and the spatial-physiological modeling of the brain areas to be stimulated.
  • alternating magnetic field coils with several turns are used in a manner known per se.
  • one challenge is to design the coil in such a way that the field characteristics of the alternating magnetic field are optimally adapted to the areas of the human brain to be stimulated.
  • Known coils therefore have turns with complex, partially overlapping geometries, so that locally very high field strengths can be generated at other, undesirable locations, which can harm the patient or at least represent a side effect for the patient.
  • the known coils have to be cooled in a complex manner due to the high field strengths.
  • the known coils are also expensive due to the complex winding geometries.
  • special coils are used to stimulate the cortical surface of the brain.
  • Some, for example, are intended for focal points in the primary motor cortex or the dorsolateral prefrontal cortex and accordingly produce very concentrated focal points at this or these locations
  • Electric fields and low electric field strengths outside other coils activate neurons in a large, well-defined cortical area, which includes the DLPFC for example, and have correspondingly larger areas with high electric field strengths, possibly also with a specific electric field direction. What they all have in common is that the irritated area is well-defined with a certain minimum electric field strength and in other areas a certain electric field strength is not exceeded to ensure minor side effects.
  • Certain (neuro-)physiological effects and the corresponding processes for their generation are often tied to a certain spatial field distribution, which can be generated by different coils, but whose field distribution in the brain is sufficiently similar.
  • a person skilled in the art is faced with the task of creating a coil, in particular a TMS coil and a system and method by means of which the implementation of transcranial magnetic stimulation can be improved and, in particular, simplified with regard to handling.
  • a cost-effective way to create a TMS coil that is suitable for cost-efficient operation should be specified.
  • a coil for the transcranial magnetic stimulation of a human brain which is designed and set up to generate an alternating magnetic field, with: at least one electrical line with a first end and a second end, each of which has a feed connection for feeding the Coil with electrical energy is arranged, and which has at least four turns with at least partially different distances from the neighboring turn; and an insulation structure made of a non-conductive material for contact with a head of a person to be treated, which is below the turns the electrical line is arranged such that the insulation structure electrically insulates the line from the head of a person to be treated, the coil comprising two groups of turns; a first group includes internal turns; a second group comprises external turns; and a first surface is formed by a first surrounding the first group of turns; and a second surface is formed by a second surrounding the second group of turns; and the second area is at least 1.5 times as large as the first area.
  • a system for transcranial magnetic stimulation of a human brain comprising: a coil as previously defined; and a control device for controlling the coil in order to form an alternating magnetic field using the coil.
  • An electrical line with at least four turns, which at least in sections have a different distance from the neighboring turn, makes it technically easy to create a coil with an advantageous geometry.
  • Distances between turns according to the invention can, for example, denote gaps between turns, but also distances between centers of the cross sections of the corresponding turns.
  • An insulation structure enables increased safety during treatment with such a coil, since energy input in the form of electrical energy from the coil to the person to be treated can be prevented.
  • the insulation structure can in particular be a lacquer layer which is arranged around the turns of the coil. In other words, the coil can be painted.
  • the coil can also be cast with an insulator, for example a resin, or can be wrapped with an insulator.
  • the insulation structure can also be designed in the form of a plate and only be arranged on the side of the coil that faces the head of the person to be treated during treatment.
  • a magnetic field comparable to already known TMS coils can be generated with only at least four turns.
  • comparable or better stimulation results can be achieved. It has been shown that a coil with such a structure can stimulate individual regions of a human brain in a more targeted manner. Due to the advantageous structure, production costs and cooling costs for such a coil can be reduced.
  • a flat coil can be created with a geometry adapted to the stimulation of a human brain with respect to the alternating magnetic field formed by the coil.
  • a coil can be created that is easy to handle due to its geometry, can be produced cost-effectively, is multifunctional, i.e. can be used by different people.
  • a coil can be created that can be operated in an energy-efficient manner.
  • a surface enclosing the turns is preferably to be understood as a closed area in which the turns lie, in particular as a smallest area, which largely lies against the turn at its boundary.
  • the enclosing can be understood as the smallest area that completely covers the turn.
  • the enclosing can be formed by directly connecting two ends of a turn.
  • a weight-optimized TMS coil with improved handling can be created using two groups of turns, the areas of which form a ratio of 1 to at least 1.5 and which have a different distance from the respective neighboring turn, at least in sections.
  • the advantageous interaction of area ratio and variable distance configuration can generate an alternating magnetic field that is suitable for transcranial magnetic stimulation.
  • passive cooling of the TMS coil is preferably possible, which contributes to both improved handling and lower operating and production costs.
  • passive cooling enables a wider range of applications.
  • the coil is formed with a curvature and in one dimension on average with less than 2TT/3 rad (120°) arc length, preferably less than TT/2 rad (90°) arc length and particularly preferably less than TT/2 rad (60°) arc length, relative to a center of the curvature or in two dimensions on average with a solid angle of less than TT sr (steradian), preferably less than 2/3 TT sr and particularly preferably less than TT/2 sr, arched.
  • a radius of curvature of the curvature is at least 60 mm, preferably at least 85 mm and particularly preferably at least 110 mm.
  • the alternating magnetic field can be advantageously introduced into the brain for stimulation.
  • this makes it possible to create a coil that can be produced efficiently and cost-effectively and allows for simplified handling.
  • a curvature makes it easier to place the coil on the head of a person to be treated.
  • the curvature described allows a compromise to be found between the manufacturability of the coil and the achievable field strength.
  • the windings of the coil are particularly preferably arranged in a planar manner. This makes it possible to create a technically efficient and cost-effective coil.
  • a coil can be created that allows easy handling and yet precise alignment.
  • Such a coil can preferably be suitable for stimulation in which the coil is guided as a hand-held device.
  • individual groups of turns of the coil are each arranged planarly, in particular in a plane, whereby the individual planes can each be arranged offset from one another.
  • one of these planes can be spaced apart from another of these planes by up to 10 mm in the direction of the normal in both directions.
  • the turns of the electrical line between the feed connections are arranged without kinks. Additionally or alternatively, at least one turn has a negative curvature in at least one area.
  • Kink-free means in particular that a function that describes the course of the turns between the feed connections can be continuously differentiated everywhere.
  • a negative curvature means that a tangent to a function describing the turn intersects the turn or the function.
  • a negative curvature or a negative radius of curvature means in particular that a tangent to the turn of the electrical line would intersect this turn of the electrical line. So if the turn does not have a negative radius of curvature, no tangent can be found for this turn that intersects this turn.
  • the mechanical stability of the coil can be increased by kink-free windings.
  • Coil can be created with a highly variable geometry that can be optimized to generate the desired alternating magnetic field.
  • this flexibility in geometry enables the creation of a compact coil with sufficiently high field strength and field geometry of the alternating magnetic field.
  • the electrical line advantageously comprises between four and twenty turns.
  • the coil has an inductance in the range from 4 pH to 5 mH, preferably in the range from 5 pH to 500 pH and particularly preferably in the range from 5 pH to 30 pH.
  • the coil has an electrical resistance in the range from 1 mQ to max. 1,000 mQ, preferably in the range from 2.5 mQ to max. 750 mQ and particularly preferably in the range from 5 mQ to 50 mQ.
  • the above-mentioned areas for the windings, the electrical resistance and the inductance can be used to create a highly variable coil that can be optimally tailored to a specific application.
  • a coil can be created that can be operated in an energy-efficient manner and preferably requires less cooling effort.
  • a coil can be created that can be produced cost-effectively and operated cost-effectively.
  • the second area is at least 1.75 times, preferably at least 2 times and particularly preferably at least 2.5 times as large as the first area.
  • the alternating magnetic field and a magnetic vector potential can be further specified.
  • an area of the human brain can be stimulated more precisely without stimulating areas that should not be stimulated.
  • the coil has exactly one electrical line that forms the turns.
  • the turns are preferably arranged without overlapping. This allows the production of the coil to be further simplified. Because the individual conductor tracks do not overlap, the interaction between the individual conductor tracks can be reduced and the efficiency of the coil can be increased. Furthermore, a coil can be created that can be produced inexpensively and quickly.
  • the turns have at least two different centers.
  • the term “center” refers in particular to the point with the shortest distance to all sections of a winding.
  • a center of gravity of a turn can also be understood as a center point.
  • a turn is preferably to be understood as a 360° revolution of the electrical line. It goes without saying that the line does not necessarily have to form a circle, but can take on other geometric shapes. Viewed from a center point of the winding, only one conductor track is therefore arranged in each direction.
  • the first group preferably has a center point that is different from the second group, with the center points of the individual turns of a group being essentially the same. In particular, different center points enable the formation of an asymmetrical magnetic field, so that stimulation can be spatially limited more precisely.
  • the center points of the at least two surfaces are at least 20 mm, preferably at least 30 mm and particularly preferably at least 40 mm apart.
  • Several turns forming a first surface can also have a common center, while at the same time several turns forming a second surface can also form a common center.
  • the turns of the electrical line have a direction-dependent asymmetry, with a first asymmetry with respect to a first direction in the coil plane, which preferably comprises different conductor densities of the electrical line, and a second asymmetry with respect to a second direction running perpendicular to the first direction in the coil plane, which preferably comprises different bending radii of the electrical line.
  • coil level refers in particular to the level or area in which the turns of the electrical line are located. It understands that this can be understood as a curved and/or curved plane or curved surface.
  • the alternating magnetic field formed can be further specified, so that high-precision stimulation can take place using the coil.
  • the asymmetries in different, preferably perpendicular, directions enable a highly precise determination and formation of the magnetic field.
  • the control device can include a voltage source and/or a current source and in particular have two connections via which the coil can be supplied with electrical energy.
  • the control unit can have a function generator, which is designed in particular to generate periodic electrical signals with user-defined parameters such as signal shape, pulse duration, frequency or amplitude in order to generate a desired alternating magnetic field.
  • the control device can be designed to control the coil in particular with current pulses which have a pulse duration of a maximum of 5 ms, in particular a maximum of 1 ms, for example between 50 ps and 350 ps, preferably between 10 ps and 1000 ps, in particular between 120 ps and 400 ps, so that the field characteristics of the magnetic field to be generated can be optimized.
  • the control device can be designed so that a magnetic flux density of at least 1 T and/or an electric field strength of at least 10 V/m, in particular at least 50 V/m, preferably at least 100 V/m can be generated by the coil.
  • the control device can be designed to apply a particularly variable voltage of at least 100 V, in particular of at least 1000 V, to the coil.
  • the electrical conductor which forms the turns of the coil, can have different cross sections in sections. Furthermore, several conductor sections can comprise different materials, for example copper, aluminum or other metals or electrical conductors. In particular, it is conceivable that one section is punched, water jet cut or laser cut and another section is produced using a different manufacturing technique becomes. These sections are then joined together to form the electrical line of the coil.
  • Windings can be formed that not only curve inwards, but also curve outwards at times or in sections.
  • the different geometries of the individual turns can be used to form indentations or lagoons, i.e. areas that are free of conductors and at least partially surrounded by conductors.
  • a vector describing the direction of one or both of the surrounding conductors can therefore have a double change of sign in the second path derivative.
  • the respective current of both conductors surrounding an indentation or lagoon points in the same direction.
  • a current pointing in the same direction is to be understood in particular as meaning that there is at least one point in the conductors surrounding an indentation or lagoon in which a vector describing the current flow points in the same direction.
  • the windings of the coil can be arranged in such a way that at least two surface areas are formed which are surrounded by windings on all sides, a first surface area being surrounded on at least two opposite sides by windings whose respective current points in the same direction, and a second Surface area is surrounded on at least two opposite sides by turns, the respective current pointing in opposite directions.
  • the first surface area has turns on two further opposite sides, whose currents point in opposite directions. These two surface areas preferably do not overlap and/or are preferably not intersected by any turns.
  • a surface area, preferably each of the surface areas comprises at least one tenth, particularly preferably at least one seventh, of the total area of the coil enclosed by the outermost turn.
  • Figure 1 is a schematic, simplified representation of a coil for transcranial magnetic stimulation in a top view
  • Figure 2 shows a section through the coil according to Figure 1 along section plane A;
  • Figure 3 shows a system for transcranial magnetic stimulation of a human brain comprising a coil according to Figures 1 and 2 and a control device;
  • Figures 4a to 4i show diagrams of different coil geometries for coils according to the invention for transcranial magnetic stimulation in a top view
  • Figure 5 shows schematically a simulated magnetic field strength during magnetic stimulation using a coil according to the invention
  • Figure 6 shows schematically the steps of a method according to the invention for transcranial magnetic stimulation of a human brain.
  • a coil 10 for transcranial magnetic stimulation (TMS) of a human brain is shown schematically in simplified form.
  • the coil 10 includes an electrical line 12 which forms several turns.
  • Feed connections 14, 16 are arranged at the two ends of the electrical line 12 in order to connect the coil 10 to a control device, not shown, so that the coil 10 can be controlled.
  • the electrical line 12 forms a first group 18 with inner turns, i.e. turns with smaller bending radii, and a second group 20 of outer turns, i.e. turns with larger bending radii.
  • the first group 18 approximately encloses an area that is at least 1.5 times smaller than the area enclosed by the second group 20.
  • An enclosing area of the second group 20 is therefore 1.5 times as large as an enclosing area of the first group 18.
  • first group 18 and the second group 20 each have different center points, the center points for turns of a group being essentially the same in the example shown and each being shown as "X" in the figure.
  • FIG. 1 A sectional plane A with the viewing direction is also shown in FIG.
  • Figure 2 shows schematically a section through the coil 10 at the section plane A.
  • a conductor cross section of the electrical line 12 is the same for all turns in the example shown. It is understood that this is a simplified Representation is and in any case different line cross sections can be provided.
  • a curved geometry is also conceivable, which in particular has a radius of curvature of at least 60 mm, with a curvature in a dimension less than TT / 2 rad (90 °) arc length or with a curvature in two dimensions on average covers a solid angle of less than TT sr.
  • FIG. 3 shows schematically an exemplary embodiment of a system 22 for transcranial magnetic stimulation with a coil 10, in particular a coil according to FIGS. 1 and 2, and a control device 24.
  • the control unit 24 is connected to the feed connections of the coil 10 by means of two conductors. It goes without saying that the supply lines to the feed connections preferably make no or only a negligibly small contribution to an alternating magnetic field 26 formed by the coil 10. For example, this can be achieved by shielding the supply lines.
  • the alternating magnetic field 26 of the coil 10 acts on the human brain 28 of a person 30 to be treated.
  • the control device 24 is designed to generate an alternating current whose parameters, such as frequency and amplitude, can be set in a user-defined manner.
  • the alternating current fed in by the control unit 24 flows through the electrical conductor 12 of the coil 10.
  • the parameters of the alternating magnetic field 26 can be changed by the parameters of the alternating current flowing through the conductor 12. Furthermore, the parameters of the alternating magnetic field are determined by a geometry of the turns of the electrical conductor 12 of the coil 10. For reasons of clarity, an insulation structure of the coil 10 is not shown in FIGS. 1 to 3. This insulation structure is arranged between the person to be treated 30 and the surface of the line 12 facing the person to be treated 30 and electrically insulates the line 12 from the person to be treated 30. This can prevent the coil 10 from being contacted even if the coil 10 is touched Treating person 30 suffers an electric shock. Furthermore, the mechanical stability of the coil 10 can be increased by the insulation structure.
  • a Y-axis of the diagrams 32 runs from approximately +80 cm to approximately -40 cm in 20 cm increments.
  • An X-axis runs from approx. -80 cm to approx. +80 cm in 20 cm increments.
  • Each square of a grid shown in diagram 32 for better orientation therefore covers an area of 20 cm x 20 cm.
  • FIG. 4a shows a course 34 with five turns, the first group 18 of inner turns essentially comprising 2.5 turns and the second group 20 of outer turns also comprising approximately 2.5 turns.
  • the winding direction is dominantly in the same direction. There are therefore no returning windings.
  • the inner whorls form an oval, egg or pear-shaped shape.
  • the turns each have a slight indentation on their side with a larger Y value.
  • the outer turns each have indentations approximately in the middle towards the center in the X direction.
  • the individual turns of the outer turns have one or two indentations in the negative Y direction.
  • FIG. 4b A course 34 with six turns is shown in FIG. 4b. This course is similar to the course shown in Figure 4a, where the inner group of turns has an additional turn with a similar course to the other turns in this group.
  • FIG. 4c A further course 34 with seven turns is shown in FIG. 4c.
  • the course 34 according to FIG. 4c includes one more outer turn.
  • the indentations of the outer turns in the X direction are more pronounced than in Figure 4b.
  • FIG. 4d A further course 34 with eight turns is shown in FIG. 4d.
  • the course 34 according to Figure 4d has one more outer turn. 4d has very strong indentations in the X direction and Y direction, so that a minimum distance in the X direction between two conductor tracks of the innermost turn of the group of outer turns is approximately 40 cm and a minimum distance of this turn in the Y direction is approximately 20 cm.
  • the turn In an area of this turn that encloses the group of inner turns, the turn has an approximately oval or pear-shaped course. In an area that does not enclose the group of inner turns, the turn has a peanut-like shape.
  • FIG. 4e A further course 34 of an electrical conductor 12 is shown in FIG. 4e.
  • the course 34 according to FIG. 4e has one more outer turn and one more inner turn. The turns run similarly to the course 34 shown in FIG. 4c.
  • courses 34 are shown in FIGS. 4f to 4i, which are similar to the course 34 shown in FIG. 4d.
  • courses 34 are shown, in which the course 34 comprises one more turn with increasing figure numbering.
  • the number of inner turns and outer turns is alternately increased by 1, with the inner turns having a similar course as in the figures shown previously and the outer turns each have a substantially hexagonal shape with indentations in the X and Y directions, the hexagon comprising an approximately square base area with a section drawn upwards on the upper side, i.e. in the negative Y direction.
  • the course 34 according to Figure 4f includes one more outer turn than the course 34 shown in Figure 4e.
  • the course 34 shown in Figure 4g includes one more inner turn than the course 34 according to Figure 4f.
  • the course 34 according to Figure 4h includes one more inner turn than the course 34 shown in Figure 4g.
  • the course 34 shown in Figure 4h includes one more inner turn than the course 34 shown in Figure 4g.
  • a simulated electrical field strength in a human brain 28 is shown schematically in a standardized form in FIG.
  • the scale ranges from 0 to 2, with the area from 0 to 1 being grayed out and stronger simulated electric fields in limited areas 40 from 1 to 2 being shown in black and white.
  • Standardized field strengths in the range of 1 are shown in white, normalized field strengths in the range of 2 are shown in black. Normalized field strength in a range between 1 and 2 in areas 40 are shown in shades of gray.
  • FIG. 6 shows schematically the steps of a method according to the invention for the transcranial magnetic stimulation of a human brain using a coil 10 as previously shown in the figures or using a system according to FIG.
  • a first step S1 the insulation structure of the coil 10 is arranged in the vicinity of a head of a person 30 to be treated.
  • an alternating magnetic field 26 is formed for transcranial magnetic stimulation of the brain 28 of the person 30 to be treated by controlling the coil as previously explained with reference to FIG.
  • the invention has been comprehensively described and explained using the drawings and the description. The description and explanation are intended to be exemplary and not restrictive. The invention is not limited to the disclosed embodiments. Other embodiments or variations will become apparent to those skilled in the art upon use of the present invention and upon careful analysis of the drawings, disclosure and subsequent claims.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spule (10) für die transkraniale Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns (28), die zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes (26) ausgebildet und eingerichtet ist, mit: mindestens einer elektrischen Leitung (12) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, an denen jeweils eine Einspeiseverbindung (14, 16) zum Speisen der Spule (10) mit elektrischer Energie angeordnet ist, und die mindestens vier Windungen mit zumindest abschnittsweise unterschiedlichem Abstand zur Nachbarwindung aufweist; und einer Isolationsstruktur aus einem nichtleitenden Material zur Anlage an einen Kopf einer zu behandelnden Person (30), die unterhalb der Windungen der elektrischen Leitung (12) derart angeordnet ist, dass die Isolationsstruktur die Leitung elektrisch gegen den Kopf einer zu behandelnden Person isoliert, wobei die Spule (10) zwei Gruppen (18, 20) von Windungen umfasst; eine erste Gruppe (18) innere Windungen umfasst; eine zweite Gruppe (20) äußere Windungen umfasst; und eine erste Fläche von einer ersten, die erste Gruppe (18) von Windungen Umschließenden gebildet wird, und eine zweite Fläche von einer zweiten, die zweite Gruppe (18) von Windungen Umschließenden gebildet wird; und die zweite Fläche wenigstens 1,5-mal so groß ist wie die erste Fläche.

Description

TMS-Spule und TMS-System
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spule für die transkraniale Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns sowie ein entsprechendes System umfassend eine solche Spule und ein entsprechendes Verfahren.
Die transkraniale Magnetstimulation stellt ein nichtinvasives Behandlungsverfahren für das menschliche Gehirn dar und wird für unterschiedliche Behandlungszwecke verwendet. Zum Beispiel ist es damit auf effektive Weise möglich, affektive Störungen, insbesondere klinische Depression, Zwangsstörungen oder posttraumatische Belastungsstörungen, therapeutisch zu behandeln.
Die Wirkweise der transkranialen Magnetstimulation basiert im Wesentlichen darauf, dass Neuronen und neuronale Schaltkreise von definierten Gehirnbereichen, die selbst mehrere Neuronen umfassen können und auch als neuronale Erregungskreise bezeichnet werden, mittels eines extern erzeugten (elektro-)magnetischen Wechselfeldes von außen stimuliert werden, so dass die stimulierten Neutronen ihrerseits Signale aussenden. Die dadurch entstehenden Signale werden von weiteren Neuronen und neuronalen Schaltkreisen des Gehirns weitergeleitet und verarbeitet. Bei der Verwendung definierter Parameter zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes für die Stimulation der Neuronen lassen sich auf diese Weise Neuronen und neuronale Schaltkreise bedarfsweise neuromodulieren. Im Ergebnis wird damit erreicht, dass neuromo- dulierte Neuronen und neuronalen Schaltkreise insbesondere auch endogene, also körpereigene Signale, langfristig und über die Behandlungsdauer hinaus verändert verarbeiten. Dies wirkt sich positiv auf die therapeutische Behandlung der oben genannten Störungen aus. Ein wesentlicher Vorteil ist hierbei, dass bei der Behandlung mittels transkranialer Magnetstimulation auf die zusätzliche Einnahme von Psychopharmaka verzichtet werden kann, die bekanntlich mit negativen Auswirkungen auf das menschliche Wohlbefinden einhergehen. Die transkraniale Magnetstimulation ist Gegenstand umfangreicher Forschung, insbesondere hinsichtlich der biophysikalischen Modellierung der Neurostimulation und der räumlich-physiologischen Modellierung der zu stimulierenden Gehirnareale. Zum technologischen Hintergrund der Erfindung wird auf den wissenschaftlichen Artikel von Goetz & Deng (2017) "The development and modelling of devices and paradigms for transcranial stimulation", International Review of Psychiatry, 29:2, 115-145 [doi: 10.1080/09540261.2017.1305949] verwiesen, dessen Inhalt zum Teil der Offenbarung dieser Anmeldung gemacht wird.
Zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes kommen in an sich bekannter Weise Spulen mit mehreren Windungen zum Einsatz. Eine Herausforderung besteht allerdings darin, die Spule so auszubilden, dass die Feldcharakteristiken des magnetischen Wechselfeldes in optimaler Weise an die zu stimulierenden Bereiche des menschlichen Gehirns angepasst sind. Bekannte Spulen weisen daher Windungen mit komplexen, teilweise sich überlappenden Geometrien auf, sodass lokal sehr hohe Feldstärken an anderen, ungewünschten Stellen erzeugt werden können, die den Patienten schädigen können, zumindest aber eine Nebenwirkung für den Patienten darstellen. Daneben müssen die bekannten Spulen aufgrund der hohen Feldstärken aufwendig gekühlt werden. Schließlich sind die bekannten Spulen auch aufgrund der komplexen Windungsgeometrien teuer.
Insbesondere kommen spezielle Spulen gerade für die Reizung der kortikalen Hirnoberfläche zum Einsatz. Einige sind beispielsweise für fokale Punkte im primären Motorkortex oder der dorsolateralen präfrontalen Kortex vorgesehen und erzeugen entsprechend an dieser oder diesen Stellen sehr konzentrierte, fokale elektrische Felder und geringe elektrische Feldstärken außerhalb, andere Spulen aktivieren Neuronen in einem großen, wohldefinierten kortikalen Areal, das beispielsweise den DLPFC einschließt und verfügen über entsprechend ausgedehntere Areale mit hohen elektrischen Feldstärken, ggf. auch mit jeweils bestimmter elektrischer Feldrichtung. Alle haben gemein, dass der gereizte Bereich mit bestimmter elektrischer Mindestfeldstärke wohldefiniert ist und in anderen Bereichen für geringe Nebenwirkungen eine bestimmte elektrische Feldstärke nicht überschritten wird. Bestimmte (neuro-)physiologische Wirkungen und entsprechende Verfahrung zu deren Erzeugung sind oft an eine bestimmte räumliche Feldverteilung gebunden, die durch unterschiedliche Spulen erzeugt werden können, deren Feldverteilung im Gehirn sich aber ausreichend gleichen.
Vor diesem Hintergrund stellt sich einem Fachmann die Aufgabe des Schaffens einer Spule, insbesondere einer TMS-Spule und eines Systems sowie Verfahrens, mittels denen eine Durchführung einer transkranialen Magnetstimulation verbessert und insbesondere bezüglich des Handlings vereinfacht werden kann. Besonders bevorzugt soll eine kosteneffiziente Möglichkeit zum Schaffen einer TMS-Spule angegeben werden, die sich zum kosteneffizienten Betrieb eignet.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Spule für die transkraniale Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns, die zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes ausgebildet und eingerichtet ist, mit: mindestens einer elektrischen Leitung mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, an denen jeweils eine Einspeiseverbindung zum Speisen der Spule mit elektrischer Energie angeordnet ist, und die mindestens vier Windungen mit zumindest abschnittsweise unterschiedlichem Abstand zur Nachbarwindung aufweist; und einer Isolationsstruktur aus einem nichtleitenden Material zur Anlage an einen Kopf einer zu behandelnden Person, die unterhalb der Windungen der elektrischen Leitung derart angeordnet ist, dass die Isolationsstruktur die Leitung elektrisch gegen den Kopf einer zu behandelnden Person isoliert, wobei die Spule zwei Gruppen von Windungen umfasst; eine erste Gruppe innere Windungen umfasst; eine zweite Gruppe äußere Windungen umfasst; und eine erste Fläche von einer ersten, die erste Gruppe von Windungen Umschließenden gebildet wird; und eine zweite Fläche von einer zweiten, die zweite Gruppe von Windungen Umschließenden gebildet wird; und die zweite Fläche wenigstens 1 ,5-malso groß ist wie die erste Fläche.
Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch ein System für die transkraniale Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns, mit: einer Spule wie zuvor definiert; und einem Steuergerät zum Ansteuern der Spule, um mittels der Spule ein magnetisches Wechselfeld auszubilden.
Schließlich wird die obige Aufgabe gelöst von einem Verfahren für die transkraniale Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns mittels einer Spule wie zuvor definiert oder mittels eines Systems wie zuvor definiert, mit den Schritten:
Anordnen der Isolationsstruktur der Spule in einer Umgebung eines Kopfes einer zu behandelnden Person; und
Ausbilden eines magnetischen Wechselfelds zur transkranialen Magnetstimulation des Gehirns der zu behandelnden Person durch Ansteuern der Spule. Durch eine elektrische Leitung mit mindestens vier Windungen, die zumindest abschnittsweise einen unterschiedlichen Abstand zur Nachbarwindung aufweisen, kann technisch einfach eine Spule mit vorteilhafter Geometrie geschaffen werden. Abstände zwischen Windungen gemäß der Erfindung können beispielsweise Spalte zwischen Windungen, ebenso aber auch Abstände zwischen Mittelpunkten der Querschnitte der entsprechenden Windungen bezeichnen. Eine Isolationsstruktur ermöglicht eine erhöhte Sicherheit bei einer Behandlung mit einer derartigen Spule, da ein Energieeintrag in Form von elektrischer Energie aus der Spule auf die zu behandelnde Person verhindert werden kann. Die Isolationsstruktur kann insbesondere eine Lackschicht sein, die um die Windungen der Spule angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Spule lackiert sein. Es versteht sich, dass die Spule auch mit einem Isolator, beispielsweise einem Harz, umgossen sein kann oder mit einem Isolator umwickelt sein kann. Insbesondere kann die Isolationsstruktur auch in Form einer Platte ausgebildet und nur auf der bei der Behandlung zum Kopf der zu behandelnden Person weisenden Seite der Spule angeordnet sein.
Durch zwei Gruppen von Windungen kann trotz der einfachen Geometrie mit nur wenigstens vier Windungen ein mit bereits bekannten TMS-Spulen vergleichbares Magnetfeld erzeugt werden. Insbesondere können vergleichbare oder bessere Stimulationsergebnisse erzielt werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Spule mit einem derartigen Aufbau einzelne Regionen eines menschlichen Gehirns gezielter stimulieren kann. Durch den vorteilhaften Aufbau können Produktionskosten und ein Kühlaufwand für eine derartige Spule verringert werden.
Durch eine zweite Fläche, die wenigstens 1 ,5-mal so groß ist wie die erste Fläche, kann in Abkehr von bisherigen Konzepten eine flache Spule mit einer zur Stimulation eines menschlichen Gehirns angepassten Geometrie bezüglich des von der Spule ausgebildeten magnetischen Wechselfelds geschaffen werden. Es kann eine durch die Geometrie einfach zu handhabende, kosteneffizient herstellbare, multifunktionale, also zu Verwendung für verschiedene Personen anwendbare, Spule geschaffen werden. Insbesondere kann eine Spule geschaffen werden, die energieeffizient betreibbar ist. Eine die Windungen Umschließende ist vorzugsweise als eine geschlossene Fläche zu verstehen, in der die Windungen liegen, insbesondere als eine kleinste Fläche, die an ihrer Begrenzung größtenteils an der Windung anliegt. Insbesondere kann die Umschließende als kleinste Fläche verstanden werden, die die Windung komplett verdeckt. Beispielsweise kann die Umschließende durch direktes Verbinden zweier Enden einer Windung gebildet werden.
Durch zwei Gruppen von Windungen, deren Flächen ein Verhältnis von 1 zu mindestens 1 ,5 bildet und die zumindest abschnittsweise einen unterschiedlichen Abstand zur jeweiligen Nachbarwindung aufweisen, kann eine gewichtsoptimierte TMS-Spule mit verbessertem Handling geschaffen werden. Durch das vorteilhafte Zusammenwirken von Flächenverhältnis und variabler Abstandskonfiguration kann ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden, dass sich zur transkranialen Magnetstimulation eignet. Hierbei ist vorzugsweise eine passive Kühlung der TMS-Spule möglich, die sowohl zu einem verbesserten Handling als auch zu niedrigeren Betriebs- und Produktionskosten beiträgt. Zudem ermöglicht eine passive Kühlung ein breiteres Anwendungsspektrum.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spule mit einer Wölbung ausgebildet und in einer Dimension im Mittel mit weniger als 2TT/3 rad (120°) Bogenlänge, vorzugsweise weniger als TT/2 rad (90°) Bogenlänge und besonders bevorzugt weniger als TT/2 rad (60°) Bogenlänge, gegenüber einem Zentrum der Wölbung oder in zwei Dimensionen im Mittel mit einem Raumwinkel von weniger als TT sr (steradian), bevorzugt von weniger als 2/3 TT sr und besonders bevorzugt von weniger als TT/2 sr, gewölbt. Ergänzend ist ein Krümmungs-Radius der Wölbung mindestens 60 mm, vorzugsweise mindestens 85 mm und besonders bevorzugt mindestens 110 mm. Durch eine Wölbung der Spule kann trotz einer einfachen Geometrie ein vorteilhafter Eintrag des magnetischen Wechselfeldes in das Gehirn zur Stimulation erfolgen. Insbesondere kann hierdurch eine Spule geschaffen werden, die effizient und kostengünstig herstellbar ist und ein vereinfachtes Handhaben erlaubt. Durch eine Wölbung kann ein Anordnen der Spule an einen Kopf einer zu behandelnden Person vereinfacht erfolgen. Insbesondere kann durch die beschriebene Wölbung ein Kompromiss zwischen Fertigbarkeit der Spule und erreichbarer Feldstärke gefunden werden.
Besonders bevorzugt sind die Windungen der Spule planar angeordnet. Hierdurch kann eine technisch effiziente und kostengünstig herstellbare Spule geschaffen werden. Es kann eine Spule geschaffen werden, die ein einfaches Handling und dennoch exaktes Ausrichten erlaubt. Vorzugsweise kann sich eine derartige Spule für eine Stimulation eignen, bei der die Spule als Handgerät geführt wird.
Insbesondere ist es denkbar, dass einzelne Gruppen von Windungen der Spule jeweils planar, insbesondere in einer Ebene angeordnet sind, wobei die einzelnen Ebenen jeweils versetzt zueinander angeordnet sein können. Eine dieser Ebenen kann beispielsweise bis zu 10 mm in Richtung der Normalen in beide Richtungen von einer weiteren dieser Ebenen beabstandet sein.
Vorteilhafterweise sind die Windungen der elektrischen Leitung zwischen den Einspeiseverbindungen knickfrei angeordnet. Ergänzend oder alternativ weist wenigstens eine Windung in wenigstens einem Bereich eine negative Krümmung auf. Unter knickfrei ist insbesondere zu verstehen, dass eine Funktion, die den Verlauf der Windungen zwischen den Einspeiseverbindungen beschreibt, überall stetig differenzierbar ist. Unter einer negativen Krümmung ist zu verstehen, dass eine Tangente an eine die Windung beschreibende Funktion die Windung bzw. die Funktion schneidet. Eine negative Krümmung bzw. ein negativer Krümmungsradius bedeutet insbesondere, dass eine Tangente an die Windung der elektrischen Leitung diese Windung der elektrischen Leitung schneiden würde. Weist die Windung also keinen negativen Krümmungsradius auf, kann für diese Windung keine Tangente gefunden werden, die diese Windung schneidet. Durch knickfrei ausgebildete Windungen kann eine mechanische Stabilität der Spule erhöht werden. Insbesondere bei handgeführten Spulen kann vorteilhaft einer Beschädigung der Spule bei einem versehentlichen Fallenlassen oder Anstoßen entgegengewirkt werden. Durch wenigstens einen Bereich, in dem die Windung eine negative Krümmung umfasst, kann eine Spule mit einer hochvariablen Geometrie geschaffen werden, die zum Erzeugen des gewünschten magnetischen Wechselfelds optimiert werden kann. Insbesondere ermöglicht dieser Spielraum in der Geometrie das Schaffen einer kompakten Spule mit ausreichend hoher Feldstärke sowie Feldgeometrie des magnetischen Wechselfelds.
Vorteilhafterweise umfasst die elektrische Leitung zwischen vier und zwanzig Windungen. Ergänzend oder alternativ weist die Spule eine Induktivität im Bereich von 4 pH bis 5 mH, vorzugsweise im Bereich von 5 pH bis 500 pH und besonders bevorzugt im Bereich von 5 pH bis 30 pH, auf. Weiterhin ergänzend oder alternativ weist die Spule einen elektrischen Widerstand im Bereich von 1 mQ bis max. 1.000 mQ, vorzugsweise im Bereich von 2,5 mQ bis max. 750 mQ und besonders bevorzugt im Bereich von 5 mQ bis 50 mQ, auf. Durch die oben beanspruchten Bereiche für die Windungen, den elektrischen Widerstand und die Induktivität kann eine hochvariable Spule geschaffen werden, die optimal auf einen Einsatzzweck abstimmbar ist. Insbesondere kann eine Spule geschaffen werden, die energieeffizient betreibbar ist und vorzugsweise geringeren Kühlaufwand benötigt. Vorzugsweise kann eine Spule geschaffen werden, die kosteneffizient herstellbar und kosteneffizient betreibbar ist.
Besonders bevorzugt ist die zweite Fläche wenigstens 1 ,75-mal, vorzugsweise wenigstens 2-mal und besonders bevorzugt wenigstens 2,5-mal, so groß wie die erste Fläche. Durch diese vorteilhaften Verhältnisse kann das magnetische Wechselfeld sowie ein magnetisches Vektorpotential weiter präzisiert werden. Insbesondere kann ein Bereich des menschlichen Gehirns präziser stimuliert werden, ohne hierbei Bereiche mitzustimulieren, die nicht stimuliert werden sollen.
Vorteilhafterweise weist die Spule genau eine einzige elektrische Leitung auf, die die Windungen bildet. Die Windungen sind vorzugsweise überlappungsfrei angeordnet. Hierdurch kann die Herstellung der Spule weiter vereinfacht werden. Dadurch dass sich die einzelnen Leiterbahnen nicht überschneiden, kann die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Leiterbahnen verringert werden und eine Effizienz der Spule erhöht werden. Ferner kann eine Spule geschaffen werden, die kostengünstig und schnell herstellbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Windungen wenigstens zwei verschiedene Mittelpunkte auf. Unter Mittelpunkt ist insbesondere der Punkt mit dem geringsten Abstand zu allen Abschnitten einer Wicklung zu verstehen. Insbesondere kann als Mittelpunkt auch ein Schwerpunkt einer Windung verstanden werden. Eine Windung ist vorzugsweise als ein Umlauf der elektrischen Leitung um 360° zu verstehen. Es versteht sich, dass die Leitung hierbei nicht zwangsläufig einen Kreis bilden muss, sondern andere geometrische Formen annehmen kann. Von einem Mittelpunkt der Windung aus gesehen ist folglich in jeder Richtung nur eine Leiterbahn angeordnet. Vorzugsweise weist die erste Gruppe einen von der zweiten Gruppe verschiedenen Mittelpunkt auf, wobei die Mittelpunkte der einzelnen Windungen einer Gruppe jeweils im Wesentlichen gleich sind. Verschiedene Mittelpunkte ermöglichen insbesondere das Ausbilden eines asymmetrischen Magnetfelds, sodass eine Stimulation räumlich präziser eingegrenzt werden kann.
Vorzugsweise sind die Mittelpunkte der mindestens zwei Flächen zumindest 20 mm, bevorzugt mindestens 30 mm und besonders bevorzugt zumindest 40 mm voneinander entfernt. Mehrere eine erste Fläche bildende Windungen können ferner einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen, während gleichzeitig auch mehrere eine zweite Fläche bildende Windungen einen gemeinsamen Mittelpunkt bilden können.
Weiter bevorzugt weisen die Windungen der elektrischen Leitung eine richtungsabhängige Asymmetrie auf, mit einer ersten Asymmetrie bezüglich einer ersten Richtung in Spulenebene, die vorzugsweise verschiedene Leiterdichten der elektrischen Leitung umfasst, und einer zweiten Asymmetrie bezüglich einer senkrecht zur ersten Richtung in der Spulenebene verlaufenden zweiten Richtung, die vorzugsweise verschiedene Biegeradien der elektrischen Leitung umfasst. Unter Spulenebene ist insbesondere die Ebene bzw. Fläche zu verstehen, in der sich die Windungen der elektrischen Leitung befinden. Es versteht sich, dass hierunter eine gewölbte und/oder gekrümmte Ebene bzw. gekrümmte Fläche verstanden werden kann. Durch eine richtungsabhängige Asymmetrie kann das ausgebildete magnetische Wechselfeld weiter präzisiert werden, sodass eine hochpräzise Stimulation mittels der Spule erfolgen kann. Insbesondere ermöglichen die Asymmetrien in verschiedenen, vorzugsweise senkrecht zueinanderstehenden, Richtungen eine hochpräzise Bestimmung und Ausbildung des Magnetfelds.
Das Steuergerät kann eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle umfassen und insbesondere zwei Anschlüsse aufweisen, über die die Spule mit elektrischer Energie versorgbar ist. Insbesondere kann die Steuereinheit einen Funktionsgenerator aufweisen, der insbesondere dazu ausgestaltet ist, periodische elektrische Signale mit benutzerdefinierten Parametern wie Signalform, Pulsdauer, Frequenz oder Amplitude zu erzeugen, um ein gewünschtes magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Das Steuergerät kann dazu ausgestaltet sein, die Spule insbesondere mit Strompulsen anzusteuern, die eine Pulsdauer von maximal 5 ms, insbesondere von maximal 1 ms, beispielsweis zwischen 50 ps und 350 ps, 15 vorzugsweise zwischen 10 ps und 1000 ps, insbesondere zwischen 120 ps und 400 ps aufweisen, so dass die Feldcharakteristik des zu erzeugenden magnetischen Feldes optimiert werden kann. Das Steuergerät kann dazu ausgestaltet sein, dass durch die Spule eine magnetische Flussdichte von mindestens 1 T und/oder eine elektrische Feldstärke von mindestens 10 V/m, insbesondere mindestens 50 V/m, vorzugsweise mindestens 100 V/m erzeugbar ist. Das Steuergerät kann dazu ausgebildet sein, die Spule mit einer insbesondere veränderlichen Spannung von mindestens 100 V, insbesondere von mindestens 1000 V zu beaufschlagen.
Der elektrische Leiter, der die Windungen der Spule bildet, kann abschnittsweise unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Ferner können mehrere Leiterabschnitte verschiedene Materialien, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder andere Metalle oder elektrische Leiter, umfassen. Insbesondere ist es denkbar, dass ein Abschnitt gestanzt, wasserstrahlgeschnitten oder lasergeschnitten wird und ein anderer Abschnitt durch eine andere Fertigungstechnik hergestellt wird. Diese Abschnitte werden dann zu der elektrischen Leitung der Spule zusammengefügt.
Durch die vorteilhafte Geometrie der Spule existieren Punkte, von denen aus betrachtet der Strom in dieselbe Umlaufrichtung fließt.
Es können Windungen ausgebildet werden, die nicht nur eine Krümmung nach innen, sondern zeitweise bzw. abschnittsweise auch nach außen aufweisen.
Insbesondere können durch die verschiedenen Geometrien der einzelnen Windungen Einbuchtungen oder auch Lagunen, also leiterfreie und von Leitern zumindest abschnittsweise umgebene Bereiche, gebildet werden. Ein die Richtung eines oder beider der umgebenden Leiter beschreibender Vektor kann also einen doppelten Vorzeichenwechsel in der zweiten Wegableitung aufweisen. Insbesondere weist der jeweilige Strom beider eine Einbuchtung oder auch Lagune umgebenden Leiter in dieselbe Richtung. Unter einem in dieselbe Richtung weisender Strom ist insbesondere zu verstehen, dass wenigstens jeweils ein Punkt, in den eine Einbuchtung oder auch Lagune umgebenden Leitern vorhanden ist, in dem ein den Stromfluss beschreibender Vektor jeweils in die gleiche Richtung zeigt.
Vorzugsweise gibt es mindestens zwei Anhäufungen bzw. Gruppen von Windungen, wobei in den Gruppen die Windungen zueinander je ähnliche Flächen aufspannen und Vertreter aus unterschiedlichen Gruppen unterschiedliche Flächen aufspannen.
Die Windungen der Spule können so angeordnet sein, dass sich zumindest zwei Flächenbereiche herausbilden, die von allen Seiten von Windungen umgeben sind, wobei ein erster Flächenbereich an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten von Windungen umgeben ist, deren jeweiliger Strom in dieselbe Richtung weist, und ein zweiter Flächenbereich an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten von Windungen umgeben ist, deren jeweiliger Strom in entgegengesetzte Richtung weist. Vorzugsweise weist der erste Flächenbereich an zwei weiteren einander gegenüberliegenden Seiten jeweils Windungen auf, deren Ströme in zueinander entgegengesetzten Richtungen weisen. Diese zwei Flächenbereiche überlappen sich vorzugsweise nicht und/oder werden zudem vorzugsweise von keiner Windung durchschnitten. Vorzugsweise umfasst ein Flächenbereich, bevorzugt jeder der Flächenbereiche, zumindest ein Zehntel, besonders bevorzugt zumindest ein Siebtel der von der äußersten Windung umschlossenen Gesamtfläche der Spule. Unter Seiten von Windungen, deren jeweiliger Strom in dieselbe (entgegengesetzte) Richtung weist, ist insbesondere zu verstehen, dass wenigstens jeweils ein Punkt in den gegenüberliegenden und den Flächenbereich umschließenden Windungen vorhanden ist, in dem ein den Stromfluss beschreibender Vektor jeweils in die gleiche (entgegengesetzte) Richtung zeigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische vereinfachte Darstellung einer Spule zur transkranialen Magnetstimulation in einer Draufsicht;
Figur 2 einen Schnitt durch die Spule gemäß der Figur 1 entlang der Schnittebene A;
Figur 3 ein System zur transkranialen Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns umfassend eine Spule gemäß der Figuren 1 und 2 und ein Steuergerät;
Figuren 4a bis 4i Schaubilder verschiedener Spulengeometrien für erfindungsgemäße Spulen zur transkranialen Magnetstimulation in einer Draufsicht;
Figur 5 schematisch eine simulierte Magnetfeldstärke bei einer Magnetstimulation mittels einer erfindungsgemäßen Spule; und Figur 6 schematisch die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur transkranialen Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns.
In der Figur 1 ist schematisch eine Spule 10 zur transkranialen Magnetstimulation (TMS) eines menschlichen Gehirns schematisch vereinfacht dargestellt. Die Spule 10 umfasst eine elektrische Leitung 12, die mehrere Windungen ausbildet. An den beiden Enden der elektrischen Leitung 12 sind Einspeiseverbindungen 14, 16 angeordnet, um die Spule 10 mit einem nicht gezeigten Steuergerät zu verbinden, sodass die Spule 10 angesteuert werden kann. Die elektrische Leitung 12 bildet eine erste Gruppe 18 mit inneren Windungen, also Windungen mit kleineren Biegeradien, und eine zweite Gruppe 20 von äußeren Windungen, also Windungen mit größeren Biegeradien.
Die erste Gruppe 18 umschließt näherungsweise eine Fläche, die wenigstens 1 ,5-mal kleiner ist als die von der zweiten Gruppe 20 umschlossene Fläche. Eine Umschließende der zweiten Gruppe 20 ist demnach 1 ,5-mal so groß wie eine Umschließende der erste Gruppe 18.
Ferner weisen die erste Gruppe 18 und die zweite Gruppe 20 jeweils verschiedene Mittelpunkte auf, wobei die Mittelpunkte für Windungen einer Gruppe in dem gezeigten Beispiel im Wesentlichen gleich sind und in der Figur jeweils als "X" dargestellt sind.
In der Figur 1 ist ferner eine Schnittebene A mit Blickrichtung eingezeichnet.
Figur 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Spule 10 an der Schnittebene A.
Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Merkmale und werden in Figur 2 und den folgenden Figuren nicht näher erläutert.
Ein Leiterquerschnitt der elektrischen Leitung 12 ist in dem gezeigten Beispiel für alle Windungen gleich. Es versteht sich, dass dies eine vereinfachte Darstellung ist und jedenfalls verschiedene Leitungsquerschnitte vorgesehen sein können.
Ferner versteht sich, dass anstatt der dargestellten planaren bzw. flachen Geometrie auch eine gewölbte Geometrie denkbar ist, die insbesondere einen Krümmungsradius von wenigstens 60 mm, bei einer Wölbung in einer Dimension weniger als TT/2 rad (90°) Bogenlänge oder bei einer Wölbung in zwei Dimensionen im Mittel einen Raumwinkel von weniger als TT sr umfasst.
Figur 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Systems 22 für die transkraniale Magnetstimulation mit einer Spule 10, insbesondere einer Spule gemäß den Figuren 1 und 2, und einem Steuergerät 24.
Das Steuergerät 24 ist mittels zweier Leiter mit den Einspeiseverbindungen der Spule 10 verbunden. Es versteht sich, dass die Zuleitungen zu den Einspeiseverbindungen vorzugsweise keinen oder nur einen vernachlässigbar geringen Beitrag zu einem von der Spule 10 ausgebildeten magnetischen Wechselfeld 26 beitragen. Beispielsweise kann das durch Abschirmung der Zuleitungen erreicht werden.
Das magnetische Wechselfeld 26 der Spule 10 wirkt auf menschliches Gehirn 28 einer zu behandelnden Person 30.
Das Steuergerät 24 ist zur Erzeugung eines Wechselstroms ausgebildet, dessen Parameter, wie beispielsweise Frequenz und Amplitude, benutzerdefiniert einstellbar sind. Der durch das Steuergerät 24 eingespeiste Wechselstrom fließt durch den elektrischen Leiter 12 der Spule 10.
Es versteht sich, dass die Parameter des magnetischen Wechselfelds 26 durch die Parameter des durch den Leiter 12 fließenden Wechselstroms veränderbar sind. Ferner sind die Parameter des magnetischen Wechselfelds durch eine Geometrie der Windungen des elektrischen Leiters 12 der Spule 10 bestimmt. In den Figuren 1 bis 3 ist aus Gründen der Übersicht eine Isolationsstruktur der Spule 10 nicht gezeigt. Diese Isolationsstruktur ist zwischen der zu behandelnden Person 30 und der zu der behandelnden Person 30 weisenden Fläche der Leitung 12 angeordnet und isoliert die Leitung 12 elektrisch gegen die zu behandelnde Person 30. Hierdurch kann selbst bei einer Berührung der Spule 10 verhindert werden, dass die zu behandelnde Person 30 einen Stromschlag erleidet. Ferner kann eine mechanische Stabilität der Spule 10 durch die Isolationsstruktur erhöht werden.
In den Figuren 4a bis 4i sind in Schaubildern 32 verschiedene Verläufe 34 des elektrischen Leiters 12 der Spule 10 in Draufsicht dargestellt.
Eine Y-Achse der Schaubilder 32 verläuft von ca. +80 cm bis ca. -40 cm in 20 cm-Schritten. Eine X-Achse verläuft jeweils von ca. -80 cm bis ca. +80 cm in 20 cm-Schritten. Jedes Quadrat eines im Schaubild 32 zur besseren Orientierung dargestellten Gitters umfasst folglich eine Fläche von 20 cm x 20 cm.
In der Figur 4a ist ein Verlauf 34 mit fünf Windungen dargestellt, wobei die erste Gruppe 18 von inneren Windungen im Wesentlichen 2,5 Windungen umfasst und die zweite Gruppe 20 von äußeren Windungen ebenfalls ca. 2,5 Windungen umfasst. Der Wicklungssinn ist hierbei dominant gleichläufig. Es gibt folglich keine rücklaufenden Wicklungen.
Die inneren Windungen bilden eine ovale, ei- oder birnenförmige Form. Die Windungen weisen auf ihrer Seite mit größerem Y-Wert jeweils eine leichte Einbuchtung auf.
Die äußeren Windungen weisen in X-Richtung jeweils etwa mittig Einbuchtungen zur Mitte hin auf. Zudem weisen die einzelnen Windungen der äußeren Windungen ein bis zwei Einbuchtungen in negativer Y-Richtung auf.
In der Figur 4b ist ein Verlauf 34 mit sechs Windungen dargestellt. Dieser Verlauf ist ähnlich zu dem in Figur 4a gezeigten Verlauf, wobei die innere Gruppe von Windungen eine zusätzliche Windung aufweist mit ähnlichem Verlauf die die anderen Windungen dieser Gruppe.
In der Figur 4c ist ein weiterer Verlauf 34 mit sieben Windungen dargestellt. Im Unterschied zu der Figur 4b umfasst der Verlauf 34 gemäß der Figur 4c eine äußere Windung mehr. Ferner sind die Einbuchtungen der äußeren Windungen in X-Richtung stärker ausgeprägt als in der Figur 4b.
In der Figur 4d ist ein weiterer Verlauf 34 mit acht Windungen dargestellt. Im Unterschied zu dem in Figur 4c dargestellten Verlauf 34 weist der Verlauf 34 gemäß der Figur 4d eine äußere Windung mehr auf. Die innerste äußere Windung des Verlaufs 34 gemäß der Figur 4d weist sehr starke Einbuchtungen in X-Richtung und Y-Richtung auf, so dass ein minimaler Abstand in X-Richtung zweier Leiterbahnen der innersten Windung der Gruppe von äußeren Windungen ca. 40 cm umfasst und ein minimaler Abstand dieser Windung in Y-Rich- tung ungefähr 20 cm umfasst. In einem die Gruppe von inneren Windungen umschließenden Bereich dieser Windung weist die Windung einen in etwa ovalen oder birnenförmigen Verlauf auf. In einem die Gruppe von inneren Windungen nicht umschließenden Bereich weist die Windung eine erdnussartige Form auf.
In der Figur 4e ist ein weiterer Verlauf 34 eines elektrischen Leiters 12 gezeigt. Im Unterschied zu der in Figur 4c gezeigten Ausführungsform weist der Verlauf 34 gemäß der Figur 4e eine äußere Windung und eine innere Windung mehr auf. Dabei verlaufen die Windungen ähnlich zu dem in Figur 4c gezeigten Verlauf 34.
In den Figuren 4f bis 4i sind verschiedene Verläufe 34 gezeigt, die ähnlich dem in Figur 4d gezeigten Verlauf 34 verlaufen. In diesen Schaubildern sind Verläufe 34 dargestellt, bei denen jeweils mit aufsteigender Figurennummerierung der Verlauf 34 eine Windung mehr umfasst. Hierbei wird abwechselnd die Zahl der inneren Windungen und äußeren Windungen um 1 erhöht, wobei die inneren Windungen einen jeweils ähnlichen Verlauf wie in den zuvor gezeigten Figuren aufweisen und die äußeren Windungen jeweils einen wesentlichen sechseckigen Verlauf mit Einbuchtungen in X- und Y-Richtung aufweisen, wobei das Sechseck eine in etwa quadratische Grundfläche mit einem an der oberen Seite, also in negativer Y-Richtung, nach oben gezogenen Abschnitt umfasst. Der Verlauf 34 gemäß der Figur 4f umfasst dabei eine äußere Windung mehr auf als der in Figur 4e gezeigte Verlauf 34. Der in Figur 4g gezeigte Verlauf 34umfasst dabei eine innere Windung mehr als der Verlauf 34 gemäß Figur 4f. Der Verlauf 34 gemäß Figur 4h umfasst dabei eine innere Windung mehr als der in Figur 4g gezeigte Verlauf 34. Der in Figur 4h gezeigte Verlauf 34 umfasst dabei eine innere Windung mehr als der in Figur 4g gezeigte Verlauf 34.
In der Figur 5 ist schematisch eine simulierte elektrische Feldstärke in einem menschlichen Gehirn 28 normiert dargestellt. Die Skala reicht hierbei von 0 bis 2, wobei der Bereich von 0 bis 1 ausgegraut ist und stärkere simulierte elektrische Felder in eingegrenzten Bereichen 40 von 1 bis 2 in schwarz-weiß dargestellt sind. Weiß sind normierte Feldstärken im Bereich von 1 dargestellt, schwarz sind normierte Feldstärken im Bereich von 2 dargestellt. Normierte Feldstärke in einem Bereich zwischen 1 und 2 in den Bereichen 40 sind in Grauabstufungen dargestellt.
In der Figur 6 sind schematisch die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens für die transkraniale Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns mittels einer Spule 10 wie zuvor in den Figuren dargestellt oder mittels eines Systems gemäß Figur 3 dargestellt.
In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Anordnen der Isolationsstruktur der Spule 10 in einer Umgebung eines Kopfes einer zu behandelnden Person 30.
In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Ausbilden eines magnetischen Wechselfeldes 26 zur transkranialen Magnetstimulation des Gehirns 28 der zu behandelnden Person 30 durch Ansteuern der Spule wie zuvor bezüglich Figur 3 erläutert. Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variatio- nen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der Undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.

Claims

Patentansprüche
1. Spule (10) für die transkraniale Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns (28), die zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes (26) ausgebildet und eingerichtet ist, mit: mindestens einer elektrischen Leitung (12) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, an denen jeweils eine Einspeiseverbindung (14, 16) zum Speisen der Spule (10) mit elektrischer Energie angeordnet ist, und die mindestens vier Windungen mit zumindest abschnittsweise unterschiedlichem Abstand zur Nachbarwindung aufweist; und einer Isolationsstruktur aus einem nichtleitenden Material zur Anlage an einen Kopf einer zu behandelnden Person (30), die unterhalb der Windungen der elektrischen Leitung (12) derart angeordnet ist, dass die Isolationsstruktur die Leitung elektrisch gegen den Kopf einer zu behandelnden Person isoliert, wobei die Spule (10) zwei Gruppen (18, 20) von Windungen umfasst; eine erste Gruppe (18) innere Windungen umfasst; eine zweite Gruppe (20) äußere Windungen umfasst; und eine erste Fläche von einer ersten, die erste Gruppe (18) von Windungen Umschließenden gebildet wird, und eine zweite Fläche von einer zweiten, die zweite Gruppe (18) von Windungen Umschließenden gebildet wird; und die zweite Fläche wenigstens 1 ,5-mal so groß ist wie die erste Fläche. Spule (10) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Spule (10) mit einer Wölbung ausgebildet ist und in einer Dimension im Mittel mit weniger als 2TT/3 rad (120°) Bogenlänge, vorzugsweise weniger als TT/2 rad (90°) Bogenlänge und besonders bevorzugt weniger als TT/3 rad (60°) Bogenlänge, gegenüber einem Zentrum der Wölbung oder in zwei Dimensionen im Mittel mit einem Raumwinkel von weniger als TT sr (steradian), bevorzugt von weniger als 2/3 TT sr und besonders bevorzugt von weniger als TT/2 sr, gewölbt ist; und ein Krümmungs-Radius der Wölbung mindestens 60 mm, vorzugsweise mindestens 85 mm und besonders bevorzugt mindestens 110 mm, ist. Spule (10) nach Anspruch 1 , wobei die Windungen der Spule (10) planar angeordnet sind. Spule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Windungen zwischen den Einspeiseverbindungen (14, 16) knickfrei angeordnet sind; und/oder wenigstens eine Windung in wenigstens einem Bereich umfasst, in dem die Windung eine negative Krümmung aufweist. Spule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Leitung (12) zwischen 4 und 20 Windungen umfasst; die Spule (10) eine Induktivität im Bereich von 4 pH bis 5 mH, vorzugsweise im Bereich von 5 pH bis 500 pH und besonders bevorzugt im Bereich von 5 pH bis 30 pH, aufweist; und/oder die Spule (10) einen elektrischen Widerstand im Bereich von 1 mQ bis max. 1000 mQ, vorzugsweise im Bereich von 2.5 mQ bis max. 750 mQ und besonders bevorzugt im Bereich von 5 mQ bis 50 mQ, aufweist. Spule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Fläche wenigstens 1 ,75-mal, vorzugsweise wenigstens 2-mal und besonders bevorzugt wenigstens 2,5-mal, so groß ist wie die erste Fläche. Spule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spule (10) genau eine einzige elektrische Leitung (12) aufweist, die die Windungen bildet; und wobei die Windungen vorzugsweise überlappungsfrei angeordnet sind. Spule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Windungen der elektrischen Leitung (12) wenigstens zwei verschiedenen Mittelpunkte aufweisen. Spule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Windungen der elektrischen Leitung (12) eine richtungsabhängige Asymmetrie aufweisen, mit: einer ersten Asymmetrie bezüglich einer ersten Richtung in Spulenebene, die vorzugsweise verschiedene Leiterdichten der elektrischen Leitung (12) umfasst; und einer zweiten Asymmetrie bezüglich einer senkrecht zur ersten Richtung, in der Spulenebene verlaufenden, zweiten Richtung, die vorzugsweise verschiedene Biegeradien der elektrischen Leitung (12) umfasst. System (22) für die transkraniale Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns (28), mit: einer Spule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche; und einem Steuergerät (24) zum Ansteuern der Spule (10), um mittels der Spule (10) ein magnetisches Wechselfeld (26) auszubilden. Verfahren für die transkraniale Magnetstimulation eines menschlichen Gehirns (28) mittels einer Spule (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder mittels eines Systems (22) nach Anspruch 10 mit den Schritten:
Anordnen (S1 ) der Isolationsstruktur der Spule (10) in einer Umgebung eines Kopfes einer zu behandelnden Person (30); und
Ausbilden (S2) eines magnetischen Wechselfeldes (26) zur transkranialen Magnetstimulation des Gehirns (28) der zu behandelnden Person (30) durch Ansteuern der Spule (10).
PCT/EP2023/072938 2022-08-24 2023-08-21 Tms-spule und tms-system WO2024042037A1 (de)

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