Double Cone, H-Coil และ HCA Coil
ทำไมต้องมี TMS แบบ “ลึก”
Transcranial Magnetic Stimulation หรือ TMS เป็นเทคนิคกระตุ้นสมองโดยไม่ต้องผ่าตัด อาศัยหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า โดยวางขดลวดไว้บนหนังศีรษะแล้วปล่อยกระแสไฟฟ้าแรงสูงผ่านขดลวด เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว สนามแม่เหล็กนี้จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าและกระแสไหลวนในเนื้อเยื่อสมองด้านล่าง ทำให้เซลล์ประสาทเกิดการดีโพลาไรเซชันเฉพาะจุด
ขดลวดมาตรฐานอย่าง figure-of-eight (Fo8) ถูกออกแบบมาให้กระตุ้นได้แม่นยำ แต่มีข้อจำกัดสำคัญคือสนามไฟฟ้าจะอ่อนกำลังลงอย่างรวดเร็วเมื่อเจาะลึกเข้าไปในสมอง เพียงพอสำหรับกระตุ้นบริเวณ dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) ที่ความลึกราว 2-2.5 เซนติเมตรเท่านั้น แต่บริเวณที่เกี่ยวข้องกับวงจรรางวัลและแรงจูงใจ เช่น nucleus accumbens, ventral tegmental area และ amygdala อยู่ลึกถึง 6-7 เซนติเมตร ซึ่งเกินกำลังของขดลวดมาตรฐาน
หากต้องการเพิ่มกำลังกระตุ้นให้ลึกขึ้นโดยใช้ Fo8 coil เดิม จำเป็นต้องเพิ่มความเข้มกระแสไฟฟ้าสูงมาก ซึ่งเสี่ยงต่อผลข้างเคียงและความปลอดภัยของผู้ป่วย จึงเป็นที่มาของการพัฒนาขดลวดรูปแบบใหม่สำหรับ deep TMS หรือ dTMS เพื่อเข้าถึงสมองส่วนลึกได้โดยไม่ต้องเพิ่มความเข้มสนามที่ผิวสมองมากเกินไป
|
ทำความเข้าใจคำศัพท์ • B-field (สนามแม่เหล็ก) — เกิดจากกระแสไฟฟ้าในขดลวด หน่วยเป็นเทสลา (T) • E-field (สนามไฟฟ้า) — ถูกเหนี่ยวนำในเนื้อเยื่อสมองโดย B-field หน่วยเป็นโวลต์ต่อเมตร (V/m) • เกณฑ์กระตุ้นเซลล์ประสาท (neuron excitation threshold) อยู่ที่ประมาณ 100 V/m • Focality หมายถึงความเฉพาะเจาะจงของบริเวณที่ถูกกระตุ้น ยิ่งโฟกัสแคบยิ่งแม่นยำ |
ขดลวดสี่แบบที่นำมาเปรียบเทียบ
งานวิจัยนี้ออกแบบขดลวดสามแบบสำหรับ dTMS และเปรียบเทียบกับขดลวดมาตรฐาน Fo8 โดยจำลองด้วยแบบจำลองศีรษะเสมือนจริงระดับวอกเซล (จากโครงการ Virtual Family) ที่มีเนื้อเยื่อกว่า 36 ชนิด และคำนวณการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยวิธี impedance method
1. Double Cone Coil
เปรียบเสมือน Fo8 coil ขนาดใหญ่ขึ้น มีปีกวงกลมสองวงทำมุมคงที่ประมาณ 95 องศา รัศมีวงในและวงนอก 20 และ 70 มิลลิเมตร พันลวด 10 รอบต่อปีก เดิมพัฒนาขึ้นเพื่อกระตุ้นบริเวณขาบนคอร์เท็กซ์สั่งการ (leg motor area) ที่ความลึก 3-4 เซนติเมตร ปัจจุบันใช้ในคลินิกสำหรับกระตุ้น anterior cingulate cortex และพื้นเชิงกรานด้วย
2. H-Coil
ออกแบบให้มีส่วนฐาน (base) วางแนบขนานกับหนังศีรษะ และส่วนกลับ (return) ที่ยกห่างออกจากศีรษะ ลวดถูกพันเป็นลวดลายซับซ้อนเพื่อให้องค์ประกอบกระแสจากหลายตำแหน่งรวมกันในทิศทางเดียวกัน ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าสะสมในบริเวณเป้าหมายลึก 4-6 เซนติเมตร เป็นขดลวดที่ใช้ในคลินิกจริงสำหรับโรคซึมเศร้าและพาร์กินสันแล้ว
3. Halo-Circular Assembly Coil (HCA)
เป็นการผสมขดลวด Halo coil วงใหญ่ที่คล้องรอบศีรษะ (รัศมีใน-นอก 138 และ 150 มิลลิเมตร 5 รอบ) เข้ากับขดลวดวงกลมมาตรฐานขนาดเล็กที่วางไว้เหนือศีรษะ (เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 90 มิลลิเมตร 14 รอบ) ทำงานพร้อมกัน ให้สนามไฟฟ้าใต้เกณฑ์กระตุ้นกระจายกว้างในเนื้อเยื่อลึก เป็นการออกแบบที่ยืดหยุ่นปรับความลึกได้
4. Figure-of-Eight Coil (Fo8) — กลุ่มเปรียบเทียบ
ขดลวดมาตรฐานที่ใช้แพร่หลายในคลินิก ปีกวงกลมรัศมีใน-นอก 10 และ 50 มิลลิเมตร พันลวด 10 รอบต่อปีก ใช้เป็นตัวเทียบเคียงเพื่อดูว่า dTMS coils ทั้งสามแบบเหนือกว่าหรือด้อยกว่าอย่างไร
ทั้งสี่ขดลวดถูกป้อนด้วยกระแสพัลส์ขนาดเท่ากันคือ 5.0 กิโลแอมแปร์ ความถี่ทำงาน 2.381 กิโลเฮิรตซ์ เพื่อให้การเปรียบเทียบยุติธรรม
ผลการศึกษา: ลึกกว่า แต่กว้างกว่า
สนามแม่เหล็กในสมองส่วนลึก
เมื่อวัดค่าสูงสุดของสนามแม่เหล็ก (B-field) ในบริเวณสมองส่วนลึกต่าง ๆ พบว่า HCA coil ให้ค่าสูงที่สุดในเกือบทุกบริเวณที่ทดสอบ ตามมาด้วย H-coil และ double cone coil ตามลำดับ ขณะที่ Fo8 coil ให้ค่าต่ำที่สุดอย่างชัดเจนในทุกบริเวณ ดังตารางสรุปด้านล่าง
|
บริเวณสมอง |
Double Cone (mT) |
H-Coil (mT) |
HCA Coil (mT) |
Fo8 (mT) |
|
Thalamus |
102 |
134 |
184 |
36 |
|
Hippocampus |
101 |
98 |
155 |
31 |
|
Hypothalamus |
83 |
111 |
156 |
30 |
|
Midbrain |
80 |
109 |
162 |
28 |
|
Pons |
52 |
81 |
140 |
18 |
|
49 |
75 |
161 |
16 |
|
|
Medulla Oblongata |
22 |
50 |
119 |
8 |
ตารางที่ 1: ค่าสูงสุดของสนามแม่เหล็กในบริเวณสมองส่วนลึก (ดัดแปลงจาก Table 2 ของงานวิจัยต้นฉบับ)
สนามไฟฟ้าในสมองส่วนลึก: คนละเรื่องกับสนามแม่เหล็ก
ที่น่าสนใจคือ ค่าสนามแม่เหล็กสูงไม่ได้แปลว่าสนามไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในเนื้อเยื่อจะสูงตามเสมอไป เพราะสนามไฟฟ้าขึ้นกับทั้งขนาดและทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง เมื่อพิจารณาค่าสนามไฟฟ้าสูงสุดในบริเวณสมองส่วนลึก พบว่า double cone และ HCA coil สลับกันให้ค่าสูงสุดในแต่ละบริเวณ ขณะที่ H-coil กลับให้สนามไฟฟ้าต่ำกว่าในหลายบริเวณ แม้จะมีสนามแม่เหล็กสูง
|
บริเวณสมอง |
Double Cone (V/m) |
H-Coil (V/m) |
HCA Coil (V/m) |
Fo8 (V/m) |
|
Hypothalamus |
134.3 |
17.6 |
32.7 |
35.3 |
|
Hypophysis |
129.6 |
49.6 |
81.3 |
43.2 |
|
Cerebellum |
79.1 |
103.4 |
319.0 |
133.3 |
|
Hippocampus |
73.8 |
80.9 |
120.8 |
22.5 |
|
Midbrain |
69.9 |
33.5 |
56.2 |
15.3 |
|
Thalamus |
86.2 |
28.7 |
47.7 |
21.7 |
ตารางที่ 2: ค่าสูงสุดของสนามไฟฟ้าในบริเวณสมองส่วนลึก (ดัดแปลงจาก Table 3 ของงานวิจัยต้นฉบับ)
ยิ่งลึก ยิ่งกว้าง: ข้อแลกเปลี่ยนที่หลีกเลี่ยงไม่ได้
เมื่อเทียบการกระจายของสนามไฟฟ้าที่เกินเกณฑ์กระตุ้น 100 V/m บนพื้นผิวเนื้อสมองสีเทา (gray matter) และเนื้อสมองสีขาว (white matter) พบว่าทั้ง double cone, H- และ HCA coil กระตุ้นพื้นที่ผิวกว้างกว่า Fo8 coil อย่างชัดเจน โดยเฉพาะ HCA coil ที่กระตุ้นกว้างไปถึงบริเวณรอบขอบของสมอง ขณะที่ Fo8 coil ให้ผลกระตุ้นที่โฟกัสแคบและจำกัดบริเวณมากกว่ามาก
ข้อมูลปริมาตรเนื้อสมองที่ถูกกระตุ้นเกินเกณฑ์ตามความลึกจากกระหม่อม ยืนยันภาพเดียวกัน คือ HCA coil ให้ปริมาตรกระตุ้นมากที่สุดในแทบทุกความลึก ตามด้วย double cone และ H-coil ตามลำดับ ส่วน Fo8 coil ให้ปริมาตรกระตุ้นน้อยที่สุดและจำกัดอยู่เฉพาะบริเวณตื้น ๆ ใกล้ผิวสมองเท่านั้น
ข้อมูลเชิงลึกอีกจุดคือพฤติกรรมตามความลึกของ double cone และ H-coil ต่างกัน ที่ความลึก 30-40 มิลลิเมตร ทั้งสองให้ปริมาตรกระตุ้นใกล้เคียงกัน สอดคล้องกับการที่ double cone ถูกออกแบบมาสำหรับกระตุ้นบริเวณขาที่ความลึกระดับนี้ แต่ที่ความลึก 40-60 มิลลิเมตร H-coil ให้ปริมาตรกระตุ้นมากกว่า บ่งชี้ว่า double cone มีความโฟกัสดีกว่าในช่วงนี้ ขณะที่ความลึก 60-80 มิลลิเมตร สถานการณ์กลับกัน ปริมาตรกระตุ้นของ H-coil ลดลงอย่างรวดเร็ว แต่ของ double cone กลับเพิ่มขึ้น แสดงว่า double cone เจาะลึกได้ดีกว่า H-coil ในบริเวณลึกมาก ๆ
ข้อควรระวัง: ความเสี่ยงต่อเส้นประสาทตา
เนื่องจาก H-coil และ HCA coil ต้องวางขดลวดอ้อมรอบศีรษะใกล้บริเวณคิ้วทั้งสองข้าง จึงเกิดความกังวลด้านความปลอดภัยต่อเนื้อเยื่อตาและเส้นประสาทตา ผลการจำลองพบว่าสนามไฟฟ้าที่เส้นประสาทตาสูงกว่าที่ลูกตาเสมอในทุกขดลวดที่ทดสอบ
ที่น่ากังวลคือ double cone coil ให้สนามไฟฟ้าสูงสุดที่เส้นประสาทตาถึง 144 V/m ซึ่งเกินเกณฑ์กระตุ้น 100 V/m ไปมาก ส่วน HCA coil ให้ค่า 97 V/m ซึ่งอยู่ใกล้เกณฑ์มาก ทั้งสองขดลวดนี้จึงมีความเสี่ยงเพิ่มขึ้นต่อการกระตุ้นเส้นประสาทตาโดยไม่ตั้งใจ ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญที่ผู้ใช้งานทางคลินิกควรพิจารณาประกอบการเลือกขดลวดและตำแหน่งวาง
|
สรุปจุดเด่น-จุดด้อยของแต่ละขดลวด • Double Cone — เจาะลึกได้ดีโดยเฉพาะบริเวณกึ่งกลางใต้ขดลวด แต่เสี่ยงกระตุ้นเส้นประสาทตาสูงสุด • H-Coil — เจาะลึกปานกลาง สนามไฟฟ้าในสมองส่วนลึกต่ำกว่าอีกสองแบบ แต่ความเสี่ยงต่อตาน้อยกว่า • HCA Coil — ปริมาตรกระตุ้นกว้างที่สุดและสนามแม่เหล็กสูงสุดในเกือบทุกบริเวณ แต่ความเฉพาะเจาะจงต่ำสุด • Fo8 Coil — โฟกัสแคบและปลอดภัยที่สุด แต่ไม่เพียงพอสำหรับเข้าถึงสมองส่วนลึก |
ทำไมผลลัพธ์นี้ถึงสำคัญทางคลินิก
งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาแรกที่เปรียบเทียบ double cone, H- และ HCA coil ในแบบจำลองศีรษะเสมือนจริงเดียวกัน ก่อนหน้านี้การเปรียบเทียบมักทำในแบบจำลองศีรษะทรงกลม ซึ่งไม่สะท้อนรูปทรงศีรษะจริง ความหนาแน่นเนื้อเยื่อที่แตกต่างกัน และคุณสมบัติแอนไอโซทรอปิกของเนื้อเยื่อสมอง การใช้แบบจำลองเสมือนจริงจึงให้ข้อมูลที่ใกล้เคียงสถานการณ์จริงมากขึ้น
ข้อสรุปสำคัญคือ ยังไม่มีขดลวดใดที่ “ดีที่สุด” ในทุกมิติ การเพิ่มความลึกของการกระตุ้นมักแลกมาด้วยการสูญเสียความเฉพาะเจาะจง (focality) เสมอ ดังนั้นการเลือกขดลวดสำหรับ dTMS จึงควรพิจารณาจากเป้าหมายทางคลินิกเฉพาะโรค ความลึกของบริเวณเป้าหมาย และระดับความเสี่ยงที่ยอมรับได้ต่อการกระตุ้นเนื้อเยื่อข้างเคียงโดยไม่ตั้งใจ
ผู้วิจัยยังระบุข้อจำกัดของการศึกษานี้ไว้สองประการ คือยังไม่ได้รวมคุณสมบัติแอนไอโซทรอปิกของเนื้อเยื่อสมองสีขาวเข้าไปในแบบจำลอง และยังไม่ได้ปรับพารามิเตอร์ของขดลวดหรือกระแสไฟฟ้าให้เหมาะสมที่สุด ซึ่งเป็นแนวทางการศึกษาต่อยอดในอนาคต
บทสรุป
การพัฒนาขดลวด dTMS อย่าง double cone, H-coil และ HCA coil ช่วยให้สามารถกระตุ้นสมองส่วนลึกที่ Fo8 coil มาตรฐานเข้าไม่ถึงได้ โดยอาศัยการลดอัตราการลดทอนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าตามระยะทาง แต่ผลที่ตามมาคือสนามไฟฟ้าที่ผิวสมองชั้นนอกจะสูงและกระจายกว้างกว่าเดิมเสมอ
Double cone และ HCA coil มีความสามารถกระตุ้นสมองส่วนลึกได้ดีกว่า H-coil แต่ต้องแลกกับความเสี่ยงต่อการกระตุ้นเส้นประสาทตาที่เพิ่มขึ้น ส่วน H-coil แม้เจาะลึกได้น้อยกว่า แต่มีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยต่ำกว่า การเลือกขดลวดที่เหมาะสมจึงต้องอาศัยการประเมินอย่างสมดุลระหว่างความลึกของการกระตุ้นและความเฉพาะเจาะจง โดยพิจารณาให้สอดคล้องกับวัตถุประสงค์ทางคลินิกของผู้ป่วยแต่ละราย
แหล่งอ้างอิง
Lu, M., & Ueno, S. (2017). Comparison of the induced fields using different coil configurations during deep transcranial magnetic stimulation. PLoS ONE, 12(6), e0178422. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0178422