【科技前沿】浅谈经颅磁刺激技术
经颅磁刺激技术与脑磁图、正电子发射断层成像、功能核磁共振成像，被誉为二十世纪的四大脑科学技术。
工作原理
通过输入数千安培的脉冲电流，在线圈内外产生脉冲磁场，进而在大脑皮层产生反向的感应电流；感应电流影响神经元的膜电位：当膜电位超过阈值时，就会引起去极化（兴奋）或超极化（抑制），进而产生一系列生理生化反应[1]。
图1 TMS脉冲磁场示意图
刺激线圈作为初级回路，当输入脉冲电流时产生时变磁场。该磁场可以使附近的次级回路（人体或大脑皮层）产生感应电场。据Faraday电磁感应定律，时变磁场 B(r,t) 在组织内矢径(r)的任一点处的感应电场 E(r,t) 可由下式给出：
若组织的电导率为σ，则脉冲磁场产生的感应电流密度J为：
仪器的输出能量源自电容储存的能量，如下：
Jc 为电容的能量（焦耳），C为电容容量，V为电容两端的电压。
当电容向刺激线圈放电时（忽略导线、线圈的电阻），刺激线圈的能量如下：
JL为线圈的能量（焦耳），L为电感量，I为电流。
刺激强度与能量大小、转换效率相关。以上公式似乎表明电容越大、电容电压越高或刺激线圈电感越大、电流越大，则磁场强度越大。然而，感应电场是单位时间内磁场强度的变化率。
图2 TMS简化电路图
经颅磁刺激仪可简化为电容、电感的串联电路，是一种典型的LC振荡电路（不考虑导线、线圈电阻）。其振荡周期表示如下：
T 为振荡周期，L为电感量，C为电容量。
刺激模式[2]
（1）单脉冲刺激模式
刺激皮层拇指运动区，用于测定治疗能量或运动皮层功能障碍的定量评估。
（2）成对脉冲刺激
同一个线圈在数十毫秒内先后发放2个脉冲，刺激同一脑区或2个不同线圈刺激不同脑区。常用以评估皮层的兴奋性。
（3）重复脉冲刺激
按照固定频率连续发放多个脉冲的刺激模式。通常用于临床治疗和暂时性兴奋或抑制特定皮层功能区域。具体频率参数设置依治疗或研究目的而定。
（4）爆发模式脉冲刺激
将一种固定频率脉冲嵌套在另一种固定频率脉冲中的刺激模式。常用爆发模式：θ爆发式刺激( Theta Burst Stimulation，TBS），将3个连续50Hz 脉冲嵌入5Hz脉冲。
刺激频率
rTMS对神经的调控作用有明显的频率依赖性。
研究发现，高频（＞5Hz）可易化神经元的兴奋作用，提高运动皮层的兴奋性；而低频（≤1Hz）则对大脑皮层的兴奋性有抑制作用。几年来，低频rTMS被作为治疗失眠障碍的新手段。国外对健康人的研究发现，低频rTMS可作为诱导慢波在大脑皮层出现的一种非药物治疗手段[3]。
低频rTMS对失眠治疗的副作用是不常见和轻微的，有良好的安全性。
经颅磁刺激的三大特点
（1）脉冲
经颅磁刺激仪在一组高压大容量的电容上充电，用电子开关（如可控硅）向刺激线圈放电，不到1毫秒内流过数千安培的脉冲电流，瞬时功率达到几十兆瓦，可产生的脉冲磁场可达1~4T（Tesla，特斯拉）。
（2）线圈
不同的能量转换装置产生的磁场、电场各不相同。当将纳秒级的非正弦窄脉冲电流输入超宽带天线时，则是利用其辐射特性通讯。
一般地，基于电磁感应原理的能量转换装置采用'线圈’形式，如变压器、电磁炉、无线充电器；此外，工作在近场区（感应场）的天线通常采用'环状’形式，如RFID公交卡、门禁卡等。经颅磁刺激仪采用线圈，将电能先转化为脉冲磁场；脉冲磁场再产生感应电场。
图3 RFID卡
（3）经颅
经颅，顾名思义，'经过颅骨’。为建立安全限制以避免诱发癫痫和其他潜在的不良事件，TMS领域引入运动阈值（Motor Threshold，MT）。MT是TMS刺激运动皮质，10次刺激中至少5次诱发出超过50uV的靶肌（通常为拇展短肌）运动诱发电位而需要的最低刺激强度。研究表明，至少需要1T的磁场强度。
是不是少于1T就不能'经颅’呢？
刺激磁强越弱，经过头颅后的强度也越弱。然而，'弱’是相对的；不同适应证对磁场强度的要求不一样。石家庄渡康医疗器械有限公司的经颅磁刺激仪（产品型号：NK-IA04J；注册证编号：冀械注准20192090277）的治疗体磁感应强度：Ⅰ档（低挡）：3mT~5mT；Ⅱ档（中档）：6mT~9mT；Ⅲ档（强档）：10mT~18mT。
麦克斯韦方程组揭示'变化的电场产生磁场；变化的磁场产生电场’。磁强强度较弱的仪器称为脉冲磁刺激仪可能更为准确。广义而言，经颅磁刺激仪、脉冲磁刺激仪都可以认为采用的脉冲电磁场技术。如果输入能量装置的不是单一的脉冲电流，而是经过脉冲调制的连续射频信号，则称为脉冲调制射频电磁场。通常，脉冲调制射频电磁场仪器采用天线作为能量转换装置。
图4 MAS床垫
脉冲电磁场技术已广泛地用于治疗不同疾病，如骨质疏松[5,6]、帕金森综合征[7]、阿尔茨海默病[8]、骨关节炎[9]、慢性疼痛[10,11]、失眠障碍[12]、偏头痛[13]、肿瘤[14]、促骨再生[15,16]等。
国外基于脉冲电磁场技术的代表性产品如下：
未来发展方向[17]
（1）刺激参数个体化
目前，临床TMS剂量的确定方法通过运动阈值的测定，明确个性化的脉冲幅度、频率、持续时间、刺激间隔。然而，MT不是测量大脑针对抑郁特定区域反应的直接方法，且只能调整单一的脉冲振幅。临床TMS治疗均是给予脉冲串，MT不能捕捉脉冲串累计效应的个体反应差异。对于给定的剂量，除脉冲振幅的个性化，也需考虑到其它参数，如双侧刺激、右侧刺激、MRI指导。
（2）时间可控化
时间分量包括脉冲形状和描述脉冲的参数。鉴于当前正弦波不适合使用者控制，脉冲形状的优化显得尤为重要。最近研究表明，TMS脉冲宽度对大脑皮层兴奋性有较大作用。
关于脉冲串参数，初期采用单频刺激（10Hz刺激左侧DLPFC，1Hz刺激右侧DLPFC）；之后，提出成组的符合刺激，如5Hz（θ波频率）内携带50Hz（γ波频率）的高频刺激，模拟人类大脑中出现的生理性动作电位放电模式。未来可能朝着基于疾病的发生、发展过程机制或目标的生物学标记选择脉冲串参数。
小结
经颅磁刺激已广泛用在精神心理科、神经内科、康复科，治疗抑郁障碍、运动障碍、焦虑障碍、精神分裂症、强迫症、物质成瘾、睡眠障碍等。广义而言，该技术是一种脉冲电磁场技术，具有脉冲、强磁场、频率依赖等特点。
rTMS的作用机制还有许多值得研究的问题，如突触参与调节的直接证明；Ca2+流入细胞内的速度、幅度与可塑性的关系；高效刺激模式、刺激部位等。随着研究的不断深入，rTMS以及PEMF将有更广泛的临床应用[18]。
参考文献：
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作者：屈狄
柏斯速眠科技 产品医学研究员
广西大学计算机应用技术硕士
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编辑：彭志平；审核：左和鸣