[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出了一种用于经颅磁刺激（TMS）的模块化脉冲合成器（MPS），可实现灵活的用户自定义脉冲整形，并在高功率脉冲之间实现快速切换，同时精确控制电场。通过将高功率、高速开关分解为模块化单元，MPS 实现了平滑、可定制的脉冲波形——包括单相和复杂波形——这些波形在传统 TMS 系统中尚不可用，显著拓展了神经调节的潜力。

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.

研究动机与目标

• 解决当前 TMS 系统中脉冲波形种类有限的问题，这些系统仅限于正弦波或近似矩形波形。
• 在高功率 TMS 应用中实现灵活、用户自定义的脉冲整形，同时不牺牲输出质量或安全性。
• 解决高效生成单相脉冲的挑战，这类脉冲在神经调节中更具选择性和有效性，但因技术限制而目前使用不足。
• 开发一种可扩展的模块化电力电子架构，能够承受 TMS 所带来的极端电气应力，同时保持高开关速度和波形保真度。
• 促进具有不同波形的脉冲快速序列生成，以探索神经调节中的时间动力学特性。

提出的方法

• MPS 采用模块化电力电子架构，将高功率、高速开关分解为更小、更易管理的子单元，以降低单个元件的应力。
• 每个模块采用谐振转换器拓扑结构，实现软开关，最大限度减少开关损耗和半导体器件上的电压应力。
• 系统使用数字控制接口在时域中定义任意脉冲波形，随后将其映射到各个模块的开关序列。
• 通过精确控制输送至线圈的电流波形，实现对大脑中感应电场的精细时间分辨率量化。
• 模块化设计支持可扩展性和冗余性，提高了在高功率运行下的可靠性。
• 通过实时动态重构模块输出，生成脉冲序列，实现不同脉冲波形之间的快速切换。

实验结果

研究问题

• RQ1 模块化电力电子架构是否能够实现在高功率 TMS 系统中灵活且高保真度的脉冲整形？
• RQ2 通过这种模块化方法，单相和复杂脉冲波形在多大程度上可以实现高效且安全的生成？
• RQ3 模块化设计在自由脉冲整形过程中如何减轻半导体开关上的电气应力？
• RQ4 该系统是否能够在保持高输出质量及低线圈发热的前提下，实现不同波形脉冲之间的快速切换？
• RQ5 使用用户自定义脉冲波形时，感应电场的时间分辨率和保真度能达到何种水平？

主要发现

• 模块化脉冲合成器成功生成了广泛的脉冲波形，包括传统的单相和双相脉冲，具有高时间保真度，并实现了对感应电场的精细量化。
• 该系统高效生成了单相脉冲，这类脉冲在传统 TMS 系统中通常效率低下，现可支持高频和复杂序列中的应用。
• 模块化架构通过将功率分配到多个单元，降低了单个开关上的电压应力，提高了在高功率运行下的可靠性。
• 该系统支持在不同波形脉冲之间实现快速切换，支持复杂脉冲序列，对探索时间性神经调节效应至关重要。
• 初步结果表明，MPS 能够合成畸变极小且线圈发热低的脉冲，表明其适用于临床和研究应用。
• 该方法支持任意用户自定义脉冲波形，显著扩展了 TMS 脉冲波形的种类，突破了现有技术的限制。