[논문 리뷰] Modular Pulse Synthesizer for Transcranial Magnetic Stimulation with Flexible User-Defined Pulse Shaping and Rapidly Changing Pulses in Sequences

Z. Li, Jinshui Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 14.

Advanced Memory and Neural Computing인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 뇌자극을 위한 전자기 자극(TMS)에 적합한 모듈식 펄스 합성기(MPS)를 제안한다. 이는 높은 전력 펄스 간 빠른 전환과 정밀한 전기장 제어를 가능하게 하며, 사용자 정의 펄스 형상 조절이 가능한 영역을 제공한다. 고전압·고속 스위칭을 모듈식 단위로 분해함으로써, 기존 TMS 시스템에서 확보할 수 없었던 매끄럽고 맞춤형 펄스 웨이브폼(단일상 및 복잡한 형상 포함)을 실현하며, 뇌 조절 잠재력이 크게 확장된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현재 TMS 시스템에서 삼각파형 또는 거의 직사각형 파형에 국한된 펄스 형상의 제한을 극복하기 위해.
• 출력 품질이나 안전성을 해치지 않으면서 고전력 TMS 응용 분야에서 사용자 정의 펄스 형상 조절이 가능한 유연한 시스템을 제공하기 위해.
• 뇌 조절에서 더 선택적이고 강력한 단일상 펄스를 효율적으로 생성하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해. 기존에는 기술적 제약으로 인해 활용이 부족한 편이다.
• TMS의 극한의 전기적 스트레스를 견딜 수 있는 확장 가능한 모듈식 파wr 전자 공학 아키텍처를 개발하기 위해.
• 다양한 형상의 펄스를 빠르게 순차적으로 생성함으로써 뇌 조절의 시간적 동역학을 탐색할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• MPS는 고전압·고속 스위칭을 더 작은 관리 가능한 하위 유닛으로 나누어 개별 구성 요소에 가해지는 스트레스를 줄이는 모듈식 파wr 전자 아키텍처를 사용한다.
• 각 모듈은 공진형 컨버터 토폴로지를 사용하여 부드러운 스위칭을 가능하게 하여 스위칭 손실과 반도체에 가해지는 전압 스트레스를 최소화한다.
• 디지털 제어 인터페이스를 통해 시간 영역에서 임의의 펄스 형상을 정의하고, 이를 개별 모듈의 스위칭 순서로 매핑한다.
• 코ils에 공급되는 전류 웨이브폼의 정밀한 제어를 통해 뇌에 유도되는 전기장이 높은 시간 해상도로 정량화된다.
• 모듈식 설계는 확장성과 부서지기 쉬운 장치의 복구 가능성을 제공하여 고전력 작동 시 신뢰성을 향상시킨다.
• 펄스 시퀀스는 실시간으로 모듈 출력을 동적으로 재구성하여 서로 다른 펄스 형상 간의 빠른 전환을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모듈식 파wr 전자 아키텍처가 고전력 TMS 시스템에서 높은 정밀도의 펄스 형상 조절을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 이 모듈식 접근을 통해 단일상 및 복잡한 펄스 형상이 얼마나 효율적이고 안전하게 생성될 수 있는가?
• RQ3 모듈식 설계는 자유로운 펄스 형상 조절 중 반도체 스위치에 가해지는 전기적 스트레스를 어떻게 완화하는가?
• RQ4 다양한 형상의 펄스 간에 고출력 품질과 낮은 코ils 가열을 유지하면서도 빠른 전환을 달성할 수 있는가?
• RQ5 사용자 정의 펄스 웨이브폼을 사용할 경우, 유도되는 전기장의 시간 해상도와 정밀도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 모듈식 펄스 합성기는 높은 시간 정밀도와 전기장 유도의 미세한 정량화를 바탕으로 기존의 단일상 및 이중상 펄스를 포함한 다양한 펄스 형상을 성공적으로 생성하였다.
• 기존 TMS 시스템에서 일반적으로 비효율적인 단일상 펄스도 효율적으로 생성 가능하여 고주기 및 복잡한 순차적 펄스 적용이 가능해졌다.
• 모듈식 아키텍처는 전력 분배를 통해 개별 스위치에 가해지는 전압 스트레스를 감소시켜 고전력 작동 조건에서의 신뢰성을 향상시켰다.
• 다양한 형상의 펄스 간에 빠른 전환을 가능하게 하여 뇌 조절의 시간적 영향을 탐색하는 데 필수적인 고도로 복잡한 펄스 시퀀스를 지원한다.
• 초기 결과는 MPS가 최소한의 왜곡과 낮은 코ils 가열을 통해 펄스를 합성할 수 있음을 보여주며, 임상 및 연구 응용 분야에 적합함을 시사한다.
• 이 접근법은 사용자 정의 펄스 웨이브폼을 임의로 설정할 수 있어, 이전에 존재하던 제약을 초월해 TMS의 펄스 형상 선택지를 크게 확장한다.