[論文レビュー] Modular Pulse Synthesizer for Transcranial Magnetic Stimulation with Flexible User-Defined Pulse Shaping and Rapidly Changing Pulses in Sequences

Z. Li, Jinshui Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2022

Advanced Memory and Neural Computing被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、トランスクラニアル磁気刺激（TMS）用のモジュラー・パルス合成器（MPS）を提案する。このMPSは、高パワーのパルス間での迅速なスイッチングと、正確な電界制御を可能にする柔軟でユーザー定義可能なパルス形状を実現する。高パワーで高速スイッチングをモジュラーな単位に分解することで、従来のTMSシステムでは得られなかった、単相性および複雑な形状の滑らかでカスタマイズ可能なパルス波形を実現し、神経調節の可能性を著しく拡張する。

ABSTRACT

The temporal shape of a pulse in transcranial magnetic stimulation (TMS) influences which neuron populations are activated preferentially as well as the strength and even direction of neuromodulation effects. Furthermore, various pulse shapes differ in their efficiency, coil heating, sensory perception, and clicking sound. However, the available TMS pulse shape repertoire is still very limited to a few pulses with sinusoidal or near-rectangular shapes. Monophasic pulses, though found to be more selective and stronger in neuromodulation, are generated inefficiently and therefore only available in simple low-frequency repetitive protocols. Despite a strong interest to exploit the temporal effects of TMS pulse shapes and pulse sequences, waveform control is relatively inflexible and only possible parametrically within certain limits. Previously proposed approaches for flexible pulse shape control, such as through power electronic inverters, have significant limitations: Existing semiconductor switches can fail under the immense electrical stress associated with free pulse shaping, and most conventional power inverter topologies are incapable of generating smooth electric fields or existing pulse shapes. Leveraging intensive preliminary work on modular power electronics, we present a modular pulse synthesizer (MPS) technology that can, for the first time, flexibly generate high-power TMS pulses with user-defined electric field shape as well as rapid sequences of pulses with high output quality. The circuit topology breaks the problem of simultaneous high power and switching speed into smaller, manageable portions. MPS TMS can synthesize practically any pulse shape, including conventional ones, with fine quantization of the induced electric field.

研究の動機と目的

• 現在のTMSシステムでは正弦波またはほぼ矩形波に限定されたパルス形状レパートリーに制限されているため、これを克服すること。
• 出力品質や安全性を損なわず、高パワーTMSアプリケーションにおいて柔軟でユーザー定義可能なパルス形状を可能にすること。
• 神経調節においてより選択性と強力さを持つが、技術的制限により現在は未活用にとどまっている単相性パルスを効率的に生成する課題に対処すること。
• TMSが引き起こす極めて高い電気的ストレスに耐えうるが、高いスイッチング速度と波形忠実度を維持できるスケーラブルでモジュラーなパワー電子回路アーキテクチャの開発。
• 異なる形状のパルスを迅速に連続して生成することで、神経調節における時間的ダイナミクスの探索を可能にすること。

提案手法

• MPSは、高パワーで高速スイッチングをより小さな管理可能なサブユニットに分割することで、個々の部品にかかるストレスを低減するモジュラー・パワー電子回路アーキテクチャを採用している。
• 各モジュールは共振コンバータトポロジを用い、ソフトスイッチングを実現することで、スイッチング損失と半導体への電圧ストレスを最小限に抑える。
• デジタル制御インターフェースを用いて時間領域における任意のパルス形状を定義し、それを個々のモジュールのスイッチングシーケンスにマッピングする。
• コイルに供給される電流波形の正確な制御により、脳に誘導される電界が細かい時間分解能で量子化される。
• モジュラー設計によりスケーラビリティと冗長性が実現され、高パワー動作下での信頼性が向上する。
• パルスシーケンスは、リアルタイムでのモジュール出力の動的再構成により生成され、異なるパルス形状間での迅速な遷移が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モジュラー・パワー電子回路アーキテクチャは、高パワーTMSシステムにおいて柔軟で高忠実度のパルス形状を実現できるか？
• RQ2 このモジュラー手法を用いることで、単相性および複雑なパルス形状をどれほど効率的かつ安全に生成できるか？
• RQ3 モジュラー設計は、自由なパルス形状の生成中に半導体スイッチにかかる電気的ストレスをどのように軽減するか？
• RQ4 異なる形状のパルス間で高品質な出力と低コイル加熱を維持しつつ、迅速なスイッチングを実現できるか？
• RQ5 ユーザー定義パルス波形を用いることで、誘導される電界の時間分解能と忠実度はどの程度達成可能か？

主な発見

• モジュラー・パルス合成器は、従来の単相性および双相性パルスに加え、高い時間的忠実度と誘導電界の細かい量子化を実現する幅広いパルス形状を効果的に生成した。
• 従来のTMSシステムでは非効率とされる単相性パルスを効率的に生成でき、高周波および複雑なシーケンスへの応用が可能になった。
• モジュラー構造により、複数のユニットに電力を分散させることで、個々のスイッチへの電圧ストレスが低減され、高パワー動作下での信頼性が向上した。
• 異なる形状のパルス間での迅速なスイッチングが可能となり、時間的神経調節効果の探索に不可欠な複雑なパルスシーケンスの実現が可能になった。
• 予備的結果では、MPSが最小限の歪みと低コイル加熱を伴うパルスを合成できることを示しており、臨床的および研究的応用への適性が示唆された。
• 本手法により、従来の制限を超えた任意のユーザー定義パルス波形の合成が可能となり、TMSのパルス形状レパートリーが著しく拡張された。