Kích thích từ mô thần kinh Kích thích từ mô thần kinh Bởi: ĐH Bách Khoa Y Sinh K50 Lời giới thiệu Chương 12 nguồn gốc từ trường sinh học từ hoạt động điện mô sinh học Hoạt động điện sinh học tạo dòng điện khối vật dẫn (bộ dẫn khối), dòng điện tạo từ trường sinh học Tương quan tượng điện sinh học từ sinh học, tất nhiên, không hạn chế đến phát sinh điện từ trường sinh học nguồn điện sinh học giống Tương quan nẩy sinh trình kích thích mô sinh học kích thích từ phương pháp kích thích mô (dễ bị kích thích) dòng điện sinh từ trường biến thiên theo thời gian Ở cần ý rằng, phát sinh điện từ từ hoạt động điện mô, hai phương pháp kích thích điện từ kích thích tế bào dòng điện Kích thích điện thực trực tiếp, kích thích từ thực gián tiếp nhờ dòng điện cảm ứng sinh khối vật dẫn từ trường biến thiên theo thời gian Lý sử dụng từ trường biến thiên theo thời gian để tạo dòng điện kích thích vì, mặt, phân bố khác dòng kích thích, mặt khác, trực tế từ trường không bị suy giảm qua vùng cách điện vỏ hộp sọ Điều giúp tránh dòng kích thích có mật độ cao vùng da đầu tiến hành kích thích hệ thần kinh trung ương nhờ tránh cảm giác đau đớn Phương pháp kích thích từ không yêu cầu tiếp xúc vật lý cuộn dây kích thích mô kích thích, điều không giống với phương pháp kích thích điện Tài liệu kích thích từ trường mô tả việc kích thích võng mạc Jacques d'Arsonval (1896) Silvanus P Thompson (1910) Võng mạc biết đến quan nhạy cảm với kích thích dòng điện cảm ứng, từ trường có cường độ thấp, khoảng 10mT hiệu dụng tần số 20Hz tạo kích thích (Lövsund, Öberg, and Nilsson, 1980) 1/10 Kích thích từ mô thần kinh Từ nghiên cứu tiên phong d'Arsonval Thompson thời gian để phương pháp kích thích từ trường ứng dụng vào kích thích thần kinh Năm 1965, Bickford Fremming sử dụng từ trường suy giảm hình sin tần số 500Hz để kích thích động vật người Kích thích từ mô thần kinh Öberg tiến hành vào năm 1973 Năm 1982, lần Polson, Barker Freeston thực hiên thành công kích thích từ lên bề mặt sợi dây thần kinh Kích thích thần kinh vận động vỏ não xuyên qua vỏ hộp sọ thực ứng dụng thú vị kích thích từ trường từ trường (không giống dòng điện), truyền qua hộp sọ mà không bị suy giảm Kích thích hệ thần kinh trung ương qua vỏ hộp sọ thực thành công lần vào năm 1985 (Barker Freeston, 1985; Barker, Freeston, Jalinous, Merton, Morton, 1985; Barker, Jalinous, Freeston, 1985) Lịch sử đầy đủ phương pháp kích thích từ trường tìm thấy báo Geddes (1991) Các mô hình cuộn dây kích thích Mỗi kích thích từ trường bao gồm cuộn dây đặt bề mặt da Để tạo dòng điện mô cần phài tạo từ trường biến đổi mạnh nhanh cuộn dây Trong thực hành, tạo bời trình nạp tụ điện lớn tới điện áp cao phóng điện qua cuộn dây dùng chuyển mạch thyixto Nguyên lý kích thích từ minh họa hình 22.1 mạch nguyên lý kích từ Theo định luật Faraday-Henry, vật dẫn điện đặt từ trường biến thiên theo thời gian có từ thông F (magnetic flux), tạo thành mạch kín, dòng điện 2/10 Kích thích từ mô thần kinh sinh mạch Dòng tạo sức điện động (electromotive force (emf)) sinh từ thông biến đổi theo thời gian Cường độ emf phụ thuộc vào tốc độ biến thiên từ thông dF/dt Emf có hướng cho từ trường biến thiên theo thời gian sinh chống lại biến thiên dF/dt, vậy: Trong Tương ứng với từ trường từ thông , quan hệ hai đại lượng cho công thức: Ở tích phân lấy toàn bề mặt giới hạn mạch kín Nếu từ thông tạo ta dòng điện cuộn dây xác định bởi: F = LI Trong L cảm kháng (inductance) cuộn dây Khi đó: Trong L = điện cảm cuộn dây [H =Wb/A = Vs/A] I = dòng điện cuộn dây [A] Từ trường sức điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên dòng điện, dI/dt Hệ số tỷ lệ điện cảm L cuộn dây Giá trị dI/dt phụ thuộc vào tốc độ phóng điện tụ Để tăng tốc độ người ta sử dụng chuyển mạch nhanh (như fast thyristor) rút ngắn tối đa độ dài dây dẫn Điện cảm L xác định thuộc tính hình học 3/10 Kích thích từ mô thần kinh cấu trúc môi trường Những nhân tố định đến hệ thống cuộn dây hình dạng cuộn dây, số vòng cuộn dây độ từ thẩm (permeability) lõi Đối với cuộn dây sử dụng kích thích từ sinh lý, điện cảm tính theo công thức sau: Cuộn dây đa lớp hình trụ: L = điện cảm cuộn dây [H] µ = từ thẩm lõi cuộn dây [Vs/Am] N = số vòng cuộn dây r = bán kính cuộn dây [m] l = chiều dài cuộn day[m] s = chiều rộng [m] Ví dụ sau (hình 22.2a) đưa thông số điện cuộn dây đa lớp hình trụ (Rossi v.v , 1987): Một cuộn dây gồm 19 vòng dây đồng thiết diện 2.5mm2 quận thành lớp có kích thước sau: r = 18 mm, l = 22 mm s = mm Khi điện trở điện cảm cuộn dây đo tương ứng 14mΩ 169 µH cuộn dây đa lớp hình trụ 4/10 Kích thích từ mô thần kinh Cuộn dây đa lớp hình đĩa phẳng: Trong đại lượng N, r s tương tự Ví dụ sau (hình 22.2b) đưa thông số điện cuộn dây đa lớp hình đĩa phẳng: Một cuộn dây gồm 10 vòng dây đồng thiết diện 2.5 mm2 quấn thành hình đĩa có kích thước sau: r = 25mm, s = 36mm Khi điện trở điện cảm cuộn dây đo tương ứng 10 mΩ 9.67 µH cuộn dây đa lớp hình đĩa phẳng Cuộn dây đơn lớp hình trụ dài: Trong N, r l giống Ví dụ sau ( hình 22.2c) đưa thông số cuộn dây đơn lớp hình trụ dài: cho cuộn dây gổm 100 vòng dây đồng thiết diện 2.5 mm2 quấn thành hình trụ dài đơn lớp có kích thước sau: r = 4mm; l= 270mm Khi điện cảm cuộn dây đo 37 µH cuộn dây đơn lớp hình trụ dài 5/10 Kích thích từ mô thần kinh Phân bố dòng từ trường kích thích Độ từ thẩm mô sinh học xấp xỉ độ từ thẩm chân không Do mô ảnh hưởng đáng kể đến từ trường Từ trường thay đổi nhanh xung lực từ sinh ra dòng điện mô, dòng điện tạo kích thích Theo định lý thuận nghịch, phân bố mật độ dòng kích thích từ trường giống phân bố cảm ứng từ (sensitivity) dò từ tính có cấu tạo tương tự Phân bố mật độ dòng kích thích từ trường tính toán phương pháp giới thiệu Malmivuo (1976) sau áp dụng cho MEG (Malmivuo, 1980) Như đề cập mục 14.3, nhiều phương pháp khác để tính toán phân bố cảm ứng từ MEG (detectors magnetoencephalogram : dò từ tính) Các phương pháp cho kết xác trường hợp có tính đối xứng chúng phức tạp có minh họa (Durand, Ferguson, Dalbasti, 1992; Eaton, 1992; Esselle Stuchly, 1992) Cuộn dây đơn Sự phân bố dòng cuộn dây đơn tạo trường lưỡng cực mô tả mục 12.11 14.12 sách Phân bố lượng kích thích quan sát từ dạng trường vecto hình 14.2 không nhắc lại Hình 22.3 minh họa đường đẳng cường độ (iso-intensity lines) vùng nửa cường độ cho cuộn dây bán kính 50mm Các khái niệm đường đẳng cường độ vùng nửa cường độ tương tự với khái niệm đường đẳng cảm ứng từ (isosensitivity line) vùng nửa độ lớn cảm ứng từ (half-sensitivity volume) thảo luận mục 11.6.1 Như đề cập mục 12.3.3, tính đối xứng trục nên đường đẳng cường độ trùng với đường sức từ trường (magnetic field lines) Độc giả so sánh ảnh hưởng bán kính cuộn dây lên phân bố dòng kích thích cách so sánh hình 22.3 14.3 6/10 Kích thích từ mô thần kinh Minh họa từ trường cuộn dây bán kính 50 mm Khoàng cách từ cuộn dây đến da đầu 10mm Đường đẳng cường độ : đường đứt đoạn màu đen, đường biểu diễn dòng cảm ứng kích thích : đường liền nét màu xanh nước biển; vùng nửa cường độ : vùng màu xanh Cuộn dây dạng cực Các cuộn dây thêm vào phần lõi làm chất có độ từ thẩm cao Ưu điểm tạo từ trường tốt vùng mong muốn Cấu tạo hình chữ U lõi từ thấm (permeable core) kết việc thiết kế nguồn từ trường cực Đối với nguồn từ trường cực, trường dòng điện kích thích tạo mô có dạng tuyến tính thay dạng đường cong cuộn dây đơn Vì vài ứng dụng, phương pháp cho kết kích thích tốt Tuy nhiên trường cực suy giảm theo khoàng cách nhanh so với trường cuộn dây lưỡng cực Do sử dụng cuộn dây lưỡng cực tốt trường hợp kích thích đối tượng nằm sâu mô Thí nghiệm với từ trường cực thực Rossi năm 1987 Phân bố trường dòng điện kích thích mô hình gồm cuộn dây tính toán Malmivuo 7/10 Kích thích từ mô thần kinh (1987) Phương pháp áp dụng kích thích từ nhiều nhà khoa học khác Ueno, Tashiro, Harada, 1988 Phân bố cảm ứng từ cuộn dây lưỡng cực từ kế cực thảo luận mục 14.2 Phân bố cảm ứng từ mô tả hình 14.4 14.5 áp dụng tượng tự cho kích thích từ trường nên không nhắc lại Xung kích thích Bộ kích thích thí nghiệm thiết kế Irwin (1970) có cấu trúc đa tụ (multicapacitor) với điện dung 470 µF Chúng nạp tới điện áp 90-260 V sau phóng điện qua cuộn kích nhờ dãy gồm thyistor Kết xung từ trường có cường độ 0.1 – 0.2 T tạo cách xa cuộn dây 5mm Độ dài xung từ trường khoảng 150-300 µs Ngày kích thích từ thương mại phát lượng từ khoảng 500 J thường sử dụng điện áp 3…5 kV để điều khiển cuộn dây Từ trường đỉnh có giá trị đặc trưng T, thời gian lên (rise time) khoảng 100 µs, giá trị đỉnh dB/dt = 5×104 T/s Năng lượng đòi hỏi để kích thích mô tỷ lệ với bình phương từ trường tương ứng Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, từ trường tỷ lệ với tích cường độ điện trường thời gian tồn cuả xung ( Irwin v.v , 1970): W = lượng cần thiết để kích thích B = mật độ thông lượng từ (magnetic flux density) E = cường độ điện trường t = thời gian tồn xung (pulse duration) Hiệu suất chuyển đổi lượng kích từ tỷ lệ với bậc hai lượng từ trường dự trữ cuộn dây dòng điện cuộn dây đạt giá trị cực đại Một mô hình đơn giản sợi trục thần kinh xem nút thần kinh tụ rò (leaky capacitor) mà cần nạp điện Các phép đo với kích thích điện số thời gian tụ rò khoảng 150-300 µs Vì kích thích hiệu dụng xung dòng điện (current pulse) lên nút ngắn Với xung ngắn cuộn dây yêu cầu lượng rõ ràng giới hạn thấp 8/10 Kích thích từ mô thần kinh Sự hoạt hóa mô từ trường biến đối theo thời gian Kích thích thực tế mô từ trường biến đổi theo thời gian kết dòng điện cảm ứng chảy qua màng Nếu dòng điện cảm ứng trình khử cực không xảy kích thích không đem lại hiệu Đáng tiếc xét trường hợp đưa câu trả lời tổng quát cho câu hỏi thuận lợi nghiên cứu hình dạng cấu trúc đặc biệt Ngày việc thực cho sợi dây thần kinh môi trường đồng với cuộn dây kích thích có thiết diện phẳng song song với sợi trục (Roth Basser, 1990) Trong mô hình khảo sát Roth Basser, sợi dây thần kinh giả thiết vỏ myelin (unmyelinated), dài vô hạn nằm môi trường vô hạn nhất, màng mô tả phương trình Hodgkin-Huxley Điện áp xuyên màng Vm thỏa mãn phương trình: Vm = Điện áp xuyên màng λ/td> = số không gian màng τ = số thời gian màng x = hướng sợi trục Ex = thành phần x cường độ điện trườngτ Có điều thú vị dẫn xuất theo hướng từ trường (axial derivative) lực phát động (driving force) cho điện áp cảm ứng Nếu xét hệ đồng ảnh hưởng biên bỏ qua, kích thích xuất vị trí mà biến đổi dòng lớn cường độ dòng điện lớn Trong ví dụ sau khảo sát Roth Basser, cuộn dây nằm mặt phẳng xy có tâm x= 0, y= 0, sợi trục song song với trục x y =2.5 cm z=1.0 cm Cuộn dây có bán kính 2.5 cm gồm 30 vòng dây quấn từ sợi dây có bán kính 1.0 mm Cuộn dây đặt cách sợi trục 1.0 cm, phần mạch RLC; biến thiên theo thời gian kết bước điện áp đầu vào.( voltage step input.) Giả thiết C = 200 µF r = 3.0 Ω, kết thu dòng điện dạng sóng suy giảm mạnh Những kết kích thích cho thấy kích thích vị trí x = 2.0 cm ( – 2.0 cm , tùy vào hướng từ trường) tương ứng với vị trí cực đại Ex / x Điện áp ngưỡng dùng kích thích xác định 30 V ( kết trường hợp dòng điện đỉnh cuộn dây 10 A) Những điều kiện thực 9/10 Kích thích từ mô thần kinh Thời gian lên (risetime) ảnh hưởng đến hiệu kích thích mặt số lượng (Barker, Freeston, Garnham, 1990; Barker, Garnham, Freeston, 1991) Bộ kích thích thời gian xác lên ngắn (< 60 µs) cần nửa lượng dự trữ so với kích thích thời gian lên dài (> 80 µs) Việc sử dụng tử trường có thời gian lên thay đổi cho phép đo số thời gian màng cho biết nhiều thông tin hữu ích khác Phạm vi ứng dụng tượng kích từ mô thần kinh Kích thích từ trường ứng dụng kích thích thần kinh trung ương ngoại biên Ưu điểm cuả kích thích từ trường mật độ dòng kích thích không bị tập trung da giống kích thích dòng điện đồng thời phân bố dòng mô lại Đó điều đặc biệt kích thích não từ trường xuyên qua hộp sọ, điện trở suất cao hộp sọ ảnh hưởng đến phân bố dòng kích thích Vì phương pháp không gây cảm giác đau đớn da, không giống với kích thích thần kinh vận động vỏ não sử dụng điện cực gắn da đầu (Mills, Murray, Hess,1986; 1988; Rimpiläinen et al., 1990, 1991) Một ưu điểm khác phương pháp kích thích từ trường kích thích không tiếp xúc trực tiếp với da Đây thuận lợi môi trường phòng mổ vô trùng Như đề cập đến đầu chương, tài liệu ứng dụng lâm sang kích thích từ trường công bố năm 1985 Ngày kích thích từ trường sử dụng ứng dụng lâm sàng chế tạo vài nhà sản xuất Có thể dự đoán kích thích từ trường có ứng dụng đặc biệt việc kích thích vùng vỏ não, phương pháp kích thích điện khó tạo dòng kích thích có phân bố mật độ tập trung vùng vỏ não mặt khác kích thích từ giúp tránh dòng mật độ cao da đầu 10/10 .. .Kích thích từ mô thần kinh Từ nghiên cứu tiên phong d'Arsonval Thompson thời gian để phương pháp kích thích từ trường ứng dụng vào kích thích thần kinh Năm 1965, Bickford Fremming sử dụng từ. .. để kích thích động vật người Kích thích từ mô thần kinh Öberg tiến hành vào năm 1973 Năm 1982, lần Polson, Barker Freeston thực hiên thành công kích thích từ lên bề mặt sợi dây thần kinh Kích thích. .. kích từ mô thần kinh Kích thích từ trường ứng dụng kích thích thần kinh trung ương ngoại biên Ưu điểm cuả kích thích từ trường mật độ dòng kích thích không bị tập trung da giống kích thích dòng điện