Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка стимулирующего зонда портативного устройства транскраниальной магнитной стимуляции

ФИО: Барышев Г.К.

Направление: Медицина будущего (У.М.Н.И.К.)

Институт: РНИМУ им. Н.И. Пирогова

Кафедра: Кафедра Конструирования приборов и установок

Академическая группа: аспирант

В последнее время в научно-практических кругах активно разрабатываются методики создания разного типа интерфейсов мозг – компьютер. Основной их посыл состоит в регистрации, усилении и использования электромагнитных сигналов, исходящих из человеческого мозга и трансформации его в необходимую активность. Мозговую деятельность человека можно не только использовать, но и управлять ею во благо пациента. Наиболее опробованным на практике безоперационным методом воздействия на участки головного мозга является метод транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС). Данный метод основан на создании локального высокочастотного магнитного поля, способного возбуждать моторную кору головного мозга человека. Такое воздействие на разные участки головного мозга дает доказанный терапевтический эффект при лечении последствий инсульта, депрессии, шизофрении, болезни Альцгеймера, радикулопатий, мигрени, атрофии зрительного нерва и др.

В современной медицине транскраниальная магнитная стимуляция вытесняет электрическую стимуляцию нервной ткани, которая применялась в недавнем прошлом. Это происходит благодаря таким важным преимуществам транскраниальной магнитной стимуляции, как высокая проникающая способность даже через костную, хрящевую и мышечную ткань, удобство процедуры для пациента (при электрической стимуляции происходит значительное снижение напряженности при прохождении через ткани, что заставляло ранее в ряде случаев прибегать к инвазивным методикам), безболезненность. Электромагнитное поле, которое создается при проведении процедуры, имеет низкую интенсивность, поэтому оно не способно возбуждать болевые рецепторы, в отличие от чисто электрического. Это дает возможность применять магнитную стимуляцию как метод лечения и диагностики даже у детей младшего возраста. С помощью ТМС возможно изменение нейрональной активности в одной или нескольких точках с помощью серии стимулирующих магнитных импульсов. ТМС используется для картирования головного мозга, позволяя определить области нахождения центров зрения, речи, памяти и боли. Однако, метод позволяет не только находить подобные центры, но и воздействовать на них в целях улучшения тех или иных свойств.

Необходимо отметить, что в настоящее время методика ТМС используется только в условиях стационарных клиник с применением дорогостоящих аппаратных комплексов производства и сложного программного обеспечения.

Предлагается разработка портативного устройства ТМСа, воздействующего конкретные области головного мозга и обеспечивающих необходимый лечебный или утилитарный эффект. Предполагается разработка способов магнитной стимуляции достаточной мощности, дискретной под каждую задачу в современном дизайне под следующие сферы воздействия.

На сегодняшний день есть неоспоримые данные по воздействию магнитного поля на кору головного мозга, способствующие уменьшения болевого синдрома от головных и радикулийных видов боли, требуются дополнительные клинические испытания по уменьшению болей других причин. Есть проверенные данные по воздействию на участки мозга, отвечающие за аппетит и за восприятие новой информации, что является основой для создания приборов, стимулирующих изучение языков или понижающих тягу к избыточному потреблению пищи. Предполагается создание прибора в виде наушников или каски велосипедиста, в который будет внедрен магнитный стимулятор заданных параметров под конкретную задачу и локализованный в конкретном месте, определенном индивидуально под каждого пациента. Соответственно, планируется в данном проекте не только изготовление и продажа приборов, но и медико-технологическое обслуживание, включающее в себя настройку прибора, корректировку лечения и сопровождение курса.

В настоящее время в России и в мире идут бурные научные разработки по теме инвазивного (с нейрохирургической операцией) и неинвазивного (без операции) интерфейса мозг-компьютер. а рубежом существует 3 коммерческих компании, производящих подобные устройства: NeuroSky, OCZ Technology, Emotiv Systems. Разработки в этой области ведутся в компании Sony. Первые образцы портативных магнитных стимуляторов созданы в компании Eneura исключительно для устранения головных болей от мигрени.

Стоит задача разработки индивидуального прибора, который мог бы в портативных (домашних условиях) генерировать переменное магнитное поле индукцией до 2 Тл, частотой до 20 Гц, длительностью импульса 10–15 мс.

Конструкция стационарного прибора ТМС выполнена в виде блока питания и блока управления, совмещенных, как правило, в едином корпусе, а также выносного стимулирующего зонда, представляющего собой охлаждаемый индуктор, продуцирующий переменное магнитное поле заданной интенсивности и с заданной частотой в соответствии с программой работы.

Индуктор представляет собой кольцевую катушку с магнитным сердечником специальной конфигурации. Индукторы могут различаться по количеству витков, материалу сердечника и проводника, а также использовать две или более катушек индуктивности в различных конфигурациях.

Очевидно, что для уменьшения габаритов узлов системы необходимо оптимизировать параметры работы индуктора, уменьшив рассеивание энергии и потери на нагрев, что при меньших значениях мощности импульса позволит создавать магнитное поле аналогичной величины. Добиться этого можно заменой используемых материалов проводника и сердечника индуктора, а также изменением его конструкции.

Представляется перспективным использование наноструктурных микромпозитных Cu-Nb проводов, разработанных ФГУП «ВНИИНМ им. Бочвара» и ОАО «Русский сверхпроводник», в качестве основного функционального материала индуктора. Результаты комплексных исследований опытных партий наноструктурных Cu—Nb проводов убедительно подтвердили, что разработанная на базе указанных предприятий технология позволила получить новый класс проводов, обладающих рекордно высоким сочетанием электропроводности (~70 % IACS при комнатной температуре и ~ 300 % IACS при температуре жидкого азота) и механической прочности (σв ≥ 1200 МПа при комнатной температуре и σв ≥ 1500 МПа при температуре жидкого азота) [1]. Использование разработанных новых материалов позволило создать ряд уникальных исследовательских высокопольных импульсных магнитных систем в нескольких научных центрах мира (США, Германия, Бельгия, Польша).

Необходимо провести исследование, подтверждающее возможность использования такого класса материалов в стимулирующих зондах портативных устройств ТМС, а также разработать опытный образец устройства для проведения последующих испытаний.

Научный руководитель – д.т.н. Панцырный В.И.

Литература

1. Создание сверхпрочных наноструктурных микрокомпозиционных электротехнических Cu–Nb-проводов методом пластической деформации/ А.В. Путилов, А.К. Шиков, В.И. Панцырный, А.Е. Воробьева, В.А. Дробышев// Цветные металлы, 2008, №3, с. 77-83.

2. Электрофизические свойства композитов Cu-Nb. Часть 1. Методика исследования электрофизических свойств композитов и характеристики образцов/ Г.К. Барышев, В.И. Панцырный, А.П. Бирюков, В.И. Сурин// Цветные металлы. Научно-технический и производственный журнал. М.: ИД «Руда и металлы», 2014. №2. - стр. 76-80.

3. Электрофизические свойства композитов Cu-Nb. Часть 2. Результаты исследования электрофизических свойств композитов/ Г.К. Барышев, В.И. Панцырный, А.П. Бирюков, В.И. Сурин // Цветные металлы. Научно-технический и производственный журнал. М.: ИД «Руда и металлы», 2014. №4. – стр. 75-79.

4. Methods of research of electrophysical service properties of smart materials on example of Cu – Nb composites/ V.I. Pantsyrnyy, V.I. Surin, G.K. Baryshev, A.P. Biryukov, E.P. Varyatchenko// Non-ferrous Metals. 2014. No 2. pp. 29-33