การกระตุ้นสมองผ่านสนามแม่เหล็ก (Transcranial Magnetic Stimulation หรือ TMS) เป็นเทคนิคที่ใช้แม่เหล็กไฟฟ้าในการเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าภายในสมองโดยไม่ต้องผ่าตัด เทคโนโลยีนี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางทั้งในงานวิจัยทางประสาทวิทยาศาสตร์และการรักษาทางคลินิก องค์ประกอบสำคัญที่สุดในระบบ TMS คือ “คอยล์” หรือขดลวดแม่เหล็กที่ทำหน้าที่ส่งพัลส์แม่เหล็กไปยังสมอง โดยรูปร่างและการออกแบบของคอยล์จะกำหนดคุณสมบัติของสนามไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในเนื้อสมองโดยตรง
ในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา นักวิจัยพยายามพัฒนาคอยล์ TMS ที่สามารถกระตุ้นสมองได้อย่างแม่นยำและลึกมากขึ้น โดยมีการศึกษาสองแนวทางหลักที่น่าสนใจอย่างมาก ได้แก่ การออกแบบคอยล์ใหม่ด้วยคณิตศาสตร์และการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงคำนวณ และการเปรียบเทียบประสิทธิภาพทางคลินิกของคอยล์ที่มีอยู่แล้วในปัจจุบัน บทความนี้จะนำเสนอเนื้อหาจากงานวิจัยทั้งสองด้านนี้ เพื่อให้เข้าใจภาพรวมของความก้าวหน้าในเทคโนโลยีคอยล์ TMS
ข้อจำกัดของคอยล์ TMS ในปัจจุบัน
ปัญหาหลักสองประการ
การใช้งาน TMS ในทางคลินิกเผชิญข้อจำกัดพื้นฐานสองประการที่เชื่อมโยงกัน ได้แก่ ความลึกของการกระตุ้น (depth) และความจำเพาะเจาะจงเชิงพื้นที่ (focality)
ความจำเพาะเจาะจงเชิงพื้นที่หมายถึงขนาดของพื้นที่สมองที่ถูกกระตุ้น คอยล์ที่ดีควรกระตุ้นสมองในบริเวณแคบๆ ตรงเป้าหมาย ไม่กระจายออกไปรบกวนบริเวณใกล้เคียง ส่วนความลึกหมายถึงระยะทางจากผิวสมองถึงเป้าหมายที่ต้องการกระตุ้น โครงสร้างสมองบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับโรคซึมเศร้า โรคพาร์กินสัน และความผิดปกติทางจิตเวชต่างๆ อยู่ลึกจากผิวสมองหลายเซนติเมตร
ปัญหาคือสองสิ่งนี้ขัดแย้งกันโดยธรรมชาติ เมื่อต้องการกระตุ้นลึกขึ้น สนามแม่เหล็กจะกระจายออกกว้างขึ้น ทำให้กระตุ้นพื้นที่สมองกว้างกว่าที่ต้องการ ในทางกลับกัน การทำให้การกระตุ้นแม่นยำมากขึ้นมักทำให้ความลึกลดลง คอยล์รูปเลข 8 (figure-8 coil) ถูกพัฒนาขึ้นเมื่อสามสิบปีก่อนเพื่อเพิ่มความจำเพาะเจาะจงเมื่อเทียบกับคอยล์วงกลมเดี่ยว และได้กลายเป็นมาตรฐานสำหรับ TMS แบบ focal แม้จะมีการศึกษาการออกแบบคอยล์หลากหลายรูปแบบเพื่อพยายามปรับปรุงเพิ่มเติม แต่ในการศึกษาเชิงจำลองของการออกแบบคอยล์จำนวนมากที่มีอยู่หรือที่เสนอขึ้นมา พบว่าการออกแบบเหล่านั้นไม่สามารถเกินประสิทธิภาพของคอยล์รูปเลข 8 ได้
แนวคิดใหม่ในการออกแบบคอยล์ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงคำนวณ
แนวทาง fdTMS
งานวิจัยของ Gomez, Goetz และ Peterchev จากมหาวิทยาลัย Duke เสนอวิธีการออกแบบคอยล์ TMS ที่ให้การแลกเปลี่ยนระหว่างความลึก ความจำเพาะเจาะจง และพลังงานอย่างเหมาะสมที่สุด โดยใช้เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพแบบหลายวัตถุประสงค์ (multi-objective optimization) สำหรับการออกแบบคอยล์เชิงคำนวณ คอยล์ที่ได้รับการออกแบบด้วยวิธีนี้ถูกเรียกว่า fdTMS coils ซึ่งย่อมาจาก focality-depth TMS
แนวคิดพื้นฐานคือการมองคอยล์ TMS ไม่ใช่เป็นขดลวดที่มีรูปร่างตายตัว แต่เป็นกระแสไฟฟ้าที่กระจายอยู่บนพื้นผิว ซึ่งสามารถปรับแต่งได้ผ่านการคำนวณเพื่อให้เกิดสนามไฟฟ้าที่ดีที่สุดในสมอง
ตัวชี้วัดประสิทธิภาพของคอยล์
การประเมินคอยล์ TMS ใช้ตัวชี้วัดหลักสามประการ ได้แก่
ปริมาตรการกระตุ้น (Stimulated Volume) คือปริมาตรรวมของเนื้อสมองที่ได้รับสนามไฟฟ้าเกินกว่าระดับกระตุ้น (กำหนดที่ 50 V/m) ยิ่งปริมาตรน้อย ยิ่งหมายความว่าคอยล์มีความจำเพาะเจาะจงสูง
ความลึกการกระตุ้น (Stimulation Depth) คือระยะห่างจากผิวสมองถึงจุดลึกที่สุดที่ยังถูกกระตุ้นได้ผ่านเส้นตรงในแนวตั้งฉากกับคอยล์
พลังงานที่ใช้ (Coil Energy) คือพลังงานแม่เหล็กที่สะสมอยู่ในกระแสของคอยล์ขณะทำงาน ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับความปลอดภัยและความเป็นไปได้ในการใช้งานจริง เนื่องจากต้องเข้ากันได้กับเครื่องกระตุ้น TMS ที่มีอยู่
กระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพ
กระบวนการหาค่าเหมาะสมที่สุดใช้การโปรแกรมเชิงเส้นแบบผสมจำนวนเต็ม (Mixed Integer Linear Programming หรือ MILP) เพื่อหาการกระจายกระแสพื้นผิวที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดในแง่ของความลึก ความจำเพาะเจาะจง และพลังงาน จากนั้นการกระจายกระแสพื้นผิวที่ได้จะถูกประมาณด้วยขดลวดจริงโดยกระบวนการที่ไม่ลดทอนประสิทธิภาพ
ขั้นตอนสำคัญหนึ่งคือการแปลงกระแสพื้นผิวที่ได้จากการคำนวณให้กลายเป็นขดลวดจริงที่สามารถผลิตได้ กระแสพื้นผิวต่อเนื่องถูกแปลงเป็นขดลวดแยกต่างหากโดยขั้นตอนที่พัฒนาขึ้นสำหรับการสร้างขดลวดไล่ระดับ MRI จากการกระจายกระแสต่อเนื่อง ซึ่งต่อมานำมาใช้ออกแบบคอยล์ TMS แบบพลังงานต่ำสุด โดยสรุปคือ กระแสพื้นผิวถูกแทนที่ด้วยการออกแบบที่มีรอบลวดมากที่สุด N/2 รอบ โดยการวาดเส้นร่างของฟังก์ชันสตรีม
ผลการทดสอบและการเปรียบเทียบ
คอยล์ที่มีอยู่ในปัจจุบันแสดงการแลกเปลี่ยนระหว่างความจำเพาะเจาะจงและความลึกที่ไม่เหมาะสมที่สุด สำหรับการออกแบบ fdTMS ที่ความลึกของการกระตุ้น 1.0–3.4 เซนติเมตร พื้นที่การแพร่กระจาย (spread) สามารถลดลงได้ในทางทฤษฎีถึง 42%–55% เมื่อเทียบกับคอยล์ TMS ที่มีอยู่โดยไม่ลดความลึกในการกระตุ้น
เมื่อเปรียบเทียบกับคอยล์รูปเลข 8 มาตรฐาน ผลลัพธ์ที่ได้น่าประทับใจอย่างมาก ปริมาตรการกระตุ้นสามารถลดลงได้ถึง 36%, 44% หรือ 46% สำหรับพลังงานที่เท่ากัน เพิ่มขึ้นสองเท่า หรือเพิ่มขึ้นสี่เท่าตามลำดับ เมื่อเปรียบเทียบกับคอยล์รูปเลข 8 แบบธรรมดา
ผลการทดสอบในแบบจำลองหัวที่สร้างจาก MRI ก็ให้ผลลัพธ์ที่ดีในทางปฏิบัติ สำหรับพลังงานที่เท่ากัน การแพร่กระจายสามารถลดลงได้ 16% เมื่อเทียบกับคอยล์รูปเลข 8 และสำหรับการแพร่กระจายที่เท่ากัน พลังงานสามารถลดลงได้ 38% โดยการเพิ่มพลังงานสองเท่าและสี่เท่าสามารถลดการแพร่กระจายได้ 27% และ 37% ตามลำดับ
ความสำคัญของรูปทรงคอยล์
งานวิจัยนี้ยังพบข้อมูลที่น่าสนใจเกี่ยวกับรูปทรงของคอยล์ สำหรับระดับพลังงานที่กำหนด คอยล์ทรงกลมมีความจำเพาะเจาะจงสูงกว่าคอยล์แบบอื่น และคอยล์ทรงครึ่งกลมมีความจำเพาะเจาะจงสูงกว่าคอยล์แบบสี่เหลี่ยม ความแตกต่างนี้เด่นชัดกว่าสำหรับเป้าหมายที่ลึกกว่าเมื่อเทียบกับเป้าหมายที่ตื้นกว่า สำหรับคอยล์แบบสี่เหลี่ยม การปรับปรุงเมื่อเทียบกับคอยล์ double cone ของ MagVenture มีน้อยมาก แสดงให้เห็นว่าเพื่อกำหนดเป้าหมายที่ลึกกว่าในหัว จึงเป็นที่นิยมที่จะมีรูปทรงที่พอดีกับหัว
ข้อสรุปเกี่ยวกับข้อจำกัดพื้นฐาน
ผลลัพธ์เหล่านี้ดูเหมือนจะเป็นความก้าวหน้าอย่างเป็นระบบครั้งแรกในการแลกเปลี่ยนระหว่างความลึกและความจำเพาะเจาะจงของคอยล์ TMS นับตั้งแต่การแนะนำคอยล์รูปเลข 8 เมื่อสามสิบปีก่อน และน่าจะแสดงถึงข้อจำกัดทางกายภาพขั้นพื้นฐาน
การเปรียบเทียบคอยล์รูปเลข 8 และคอยล์วงกลมในการใช้งานทางคลินิก
ในขณะที่งานวิจัยของ Duke มุ่งเน้นการพัฒนาคอยล์รูปแบบใหม่ งานวิจัยจาก Aarhus University Hospital ในเดนมาร์กตอบคำถามที่สำคัญไม่แพ้กันในทางปฏิบัติ นั่นคือ ระหว่างคอยล์สองชนิดที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน คอยล์ชนิดใดเหมาะสมกว่าสำหรับการทดสอบ Threshold-tracking Short-Interval Intracortical Inhibition (T-SICI) ซึ่งเป็นเครื่องมือวินิจฉัยโรค ALS (Amyotrophic Lateral Sclerosis) หรือโรคกล้ามเนื้ออ่อนแรง
ผู้ป่วย ALS แสดง SICI ที่ลดลงตามที่แสดงให้เห็นทั้งโดยวิธี TMS แบบ paired pulse ทั่วไปและวิธีที่ใหม่กว่าคือ threshold-tracking TMS (TT-TMS) ข้อได้เปรียบที่อ้างถึงสำหรับ TT-TMS ได้แก่ ความสามารถในการทำซ้ำที่สูงกว่า เวลาการตรวจสอบที่สั้นกว่า และขนาดตัวอย่างที่จำเป็นน้อยกว่าสำหรับการศึกษาเชิงแทรกแซง
คอยล์ TMS: การออกแบบและการเปรียบเทียบประสิทธิภาพสำหรับการกระตุ้นสมองแบบไม่รุกราน
การกระตุ้นสมองผ่านสนามแม่เหล็ก (Transcranial Magnetic Stimulation หรือ TMS) เป็นเทคนิคที่ใช้แม่เหล็กไฟฟ้าในการเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าภายในสมองโดยไม่ต้องผ่าตัด เทคโนโลยีนี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางทั้งในงานวิจัยทางประสาทวิทยาศาสตร์และการรักษาทางคลินิก องค์ประกอบสำคัญที่สุดในระบบ TMS คือ “คอยล์” หรือขดลวดแม่เหล็กที่ทำหน้าที่ส่งพัลส์แม่เหล็กไปยังสมอง โดยรูปร่างและการออกแบบของคอยล์จะกำหนดคุณสมบัติของสนามไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในเนื้อสมองโดยตรง
ในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา นักวิจัยพยายามพัฒนาคอยล์ TMS ที่สามารถกระตุ้นสมองได้อย่างแม่นยำและลึกมากขึ้น โดยมีการศึกษาสองแนวทางหลักที่น่าสนใจอย่างมาก ได้แก่ การออกแบบคอยล์ใหม่ด้วยคณิตศาสตร์และการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงคำนวณ และการเปรียบเทียบประสิทธิภาพทางคลินิกของคอยล์ที่มีอยู่แล้วในปัจจุบัน บทความนี้จะนำเสนอเนื้อหาจากงานวิจัยทั้งสองด้านนี้ เพื่อให้เข้าใจภาพรวมของความก้าวหน้าในเทคโนโลยีคอยล์ TMS
ข้อจำกัดของคอยล์ TMS ในปัจจุบัน
ปัญหาหลักสองประการ
การใช้งาน TMS ในทางคลินิกเผชิญข้อจำกัดพื้นฐานสองประการที่เชื่อมโยงกัน ได้แก่ ความลึกของการกระตุ้น (depth) และความจำเพาะเจาะจงเชิงพื้นที่ (focality)
ความจำเพาะเจาะจงเชิงพื้นที่หมายถึงขนาดของพื้นที่สมองที่ถูกกระตุ้น คอยล์ที่ดีควรกระตุ้นสมองในบริเวณแคบๆ ตรงเป้าหมาย ไม่กระจายออกไปรบกวนบริเวณใกล้เคียง ส่วนความลึกหมายถึงระยะทางจากผิวสมองถึงเป้าหมายที่ต้องการกระตุ้น โครงสร้างสมองบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับโรคซึมเศร้า โรคพาร์กินสัน และความผิดปกติทางจิตเวชต่างๆ อยู่ลึกจากผิวสมองหลายเซนติเมตร
ปัญหาคือสองสิ่งนี้ขัดแย้งกันโดยธรรมชาติ เมื่อต้องการกระตุ้นลึกขึ้น สนามแม่เหล็กจะกระจายออกกว้างขึ้น ทำให้กระตุ้นพื้นที่สมองกว้างกว่าที่ต้องการ ในทางกลับกัน การทำให้การกระตุ้นแม่นยำมากขึ้นมักทำให้ความลึกลดลง คอยล์รูปเลข 8 (figure-8 coil) ถูกพัฒนาขึ้นเมื่อสามสิบปีก่อนเพื่อเพิ่มความจำเพาะเจาะจงเมื่อเทียบกับคอยล์วงกลมเดี่ยว และได้กลายเป็นมาตรฐานสำหรับ TMS แบบ focal แม้จะมีการศึกษาการออกแบบคอยล์หลากหลายรูปแบบเพื่อพยายามปรับปรุงเพิ่มเติม แต่ในการศึกษาเชิงจำลองของการออกแบบคอยล์จำนวนมากที่มีอยู่หรือที่เสนอขึ้นมา พบว่าการออกแบบเหล่านั้นไม่สามารถเกินประสิทธิภาพของคอยล์รูปเลข 8 ได้
แนวคิดใหม่ในการออกแบบคอยล์ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงคำนวณ
แนวทาง fdTMS
งานวิจัยของ Gomez, Goetz และ Peterchev จากมหาวิทยาลัย Duke เสนอวิธีการออกแบบคอยล์ TMS ที่ให้การแลกเปลี่ยนระหว่างความลึก ความจำเพาะเจาะจง และพลังงานอย่างเหมาะสมที่สุด โดยใช้เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพแบบหลายวัตถุประสงค์ (multi-objective optimization) สำหรับการออกแบบคอยล์เชิงคำนวณ คอยล์ที่ได้รับการออกแบบด้วยวิธีนี้ถูกเรียกว่า fdTMS coils ซึ่งย่อมาจาก focality-depth TMS
แนวคิดพื้นฐานคือการมองคอยล์ TMS ไม่ใช่เป็นขดลวดที่มีรูปร่างตายตัว แต่เป็นกระแสไฟฟ้าที่กระจายอยู่บนพื้นผิว ซึ่งสามารถปรับแต่งได้ผ่านการคำนวณเพื่อให้เกิดสนามไฟฟ้าที่ดีที่สุดในสมอง
ตัวชี้วัดประสิทธิภาพของคอยล์
การประเมินคอยล์ TMS ใช้ตัวชี้วัดหลักสามประการ ได้แก่
ปริมาตรการกระตุ้น (Stimulated Volume) คือปริมาตรรวมของเนื้อสมองที่ได้รับสนามไฟฟ้าเกินกว่าระดับกระตุ้น (กำหนดที่ 50 V/m) ยิ่งปริมาตรน้อย ยิ่งหมายความว่าคอยล์มีความจำเพาะเจาะจงสูง
ความลึกการกระตุ้น (Stimulation Depth) คือระยะห่างจากผิวสมองถึงจุดลึกที่สุดที่ยังถูกกระตุ้นได้ผ่านเส้นตรงในแนวตั้งฉากกับคอยล์
พลังงานที่ใช้ (Coil Energy) คือพลังงานแม่เหล็กที่สะสมอยู่ในกระแสของคอยล์ขณะทำงาน ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับความปลอดภัยและความเป็นไปได้ในการใช้งานจริง เนื่องจากต้องเข้ากันได้กับเครื่องกระตุ้น TMS ที่มีอยู่
กระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพ
กระบวนการหาค่าเหมาะสมที่สุดใช้การโปรแกรมเชิงเส้นแบบผสมจำนวนเต็ม (Mixed Integer Linear Programming หรือ MILP) เพื่อหาการกระจายกระแสพื้นผิวที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดในแง่ของความลึก ความจำเพาะเจาะจง และพลังงาน จากนั้นการกระจายกระแสพื้นผิวที่ได้จะถูกประมาณด้วยขดลวดจริงโดยกระบวนการที่ไม่ลดทอนประสิทธิภาพ
ขั้นตอนสำคัญหนึ่งคือการแปลงกระแสพื้นผิวที่ได้จากการคำนวณให้กลายเป็นขดลวดจริงที่สามารถผลิตได้ กระแสพื้นผิวต่อเนื่องถูกแปลงเป็นขดลวดแยกต่างหากโดยขั้นตอนที่พัฒนาขึ้นสำหรับการสร้างขดลวดไล่ระดับ MRI จากการกระจายกระแสต่อเนื่อง ซึ่งต่อมานำมาใช้ออกแบบคอยล์ TMS แบบพลังงานต่ำสุด โดยสรุปคือ กระแสพื้นผิวถูกแทนที่ด้วยการออกแบบที่มีรอบลวดมากที่สุด N/2 รอบ โดยการวาดเส้นร่างของฟังก์ชันสตรีม
ผลการทดสอบและการเปรียบเทียบ
คอยล์ที่มีอยู่ในปัจจุบันแสดงการแลกเปลี่ยนระหว่างความจำเพาะเจาะจงและความลึกที่ไม่เหมาะสมที่สุด สำหรับการออกแบบ fdTMS ที่ความลึกของการกระตุ้น 1.0–3.4 เซนติเมตร พื้นที่การแพร่กระจาย (spread) สามารถลดลงได้ในทางทฤษฎีถึง 42%–55% เมื่อเทียบกับคอยล์ TMS ที่มีอยู่โดยไม่ลดความลึกในการกระตุ้น
เมื่อเปรียบเทียบกับคอยล์รูปเลข 8 มาตรฐาน ผลลัพธ์ที่ได้น่าประทับใจอย่างมาก ปริมาตรการกระตุ้นสามารถลดลงได้ถึง 36%, 44% หรือ 46% สำหรับพลังงานที่เท่ากัน เพิ่มขึ้นสองเท่า หรือเพิ่มขึ้นสี่เท่าตามลำดับ เมื่อเปรียบเทียบกับคอยล์รูปเลข 8 แบบธรรมดา
ผลการทดสอบในแบบจำลองหัวที่สร้างจาก MRI ก็ให้ผลลัพธ์ที่ดีในทางปฏิบัติ สำหรับพลังงานที่เท่ากัน การแพร่กระจายสามารถลดลงได้ 16% เมื่อเทียบกับคอยล์รูปเลข 8 และสำหรับการแพร่กระจายที่เท่ากัน พลังงานสามารถลดลงได้ 38% โดยการเพิ่มพลังงานสองเท่าและสี่เท่าสามารถลดการแพร่กระจายได้ 27% และ 37% ตามลำดับ
ความสำคัญของรูปทรงคอยล์
งานวิจัยนี้ยังพบข้อมูลที่น่าสนใจเกี่ยวกับรูปทรงของคอยล์ สำหรับระดับพลังงานที่กำหนด คอยล์ทรงกลมมีความจำเพาะเจาะจงสูงกว่าคอยล์แบบอื่น และคอยล์ทรงครึ่งกลมมีความจำเพาะเจาะจงสูงกว่าคอยล์แบบสี่เหลี่ยม ความแตกต่างนี้เด่นชัดกว่าสำหรับเป้าหมายที่ลึกกว่าเมื่อเทียบกับเป้าหมายที่ตื้นกว่า สำหรับคอยล์แบบสี่เหลี่ยม การปรับปรุงเมื่อเทียบกับคอยล์ double cone ของ MagVenture มีน้อยมาก แสดงให้เห็นว่าเพื่อกำหนดเป้าหมายที่ลึกกว่าในหัว จึงเป็นที่นิยมที่จะมีรูปทรงที่พอดีกับหัว
ข้อสรุปเกี่ยวกับข้อจำกัดพื้นฐาน
ผลลัพธ์เหล่านี้ดูเหมือนจะเป็นความก้าวหน้าอย่างเป็นระบบครั้งแรกในการแลกเปลี่ยนระหว่างความลึกและความจำเพาะเจาะจงของคอยล์ TMS นับตั้งแต่การแนะนำคอยล์รูปเลข 8 เมื่อสามสิบปีก่อน และน่าจะแสดงถึงข้อจำกัดทางกายภาพขั้นพื้นฐาน
การเปรียบเทียบคอยล์รูปเลข 8 และคอยล์วงกลมในการใช้งานทางคลินิก
บริบทและความสำคัญ
ในขณะที่งานวิจัยของ Duke มุ่งเน้นการพัฒนาคอยล์รูปแบบใหม่ งานวิจัยจาก Aarhus University Hospital ในเดนมาร์กตอบคำถามที่สำคัญไม่แพ้กันในทางปฏิบัติ นั่นคือ ระหว่างคอยล์สองชนิดที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน คอยล์ชนิดใดเหมาะสมกว่าสำหรับการทดสอบ Threshold-tracking Short-Interval Intracortical Inhibition (T-SICI) ซึ่งเป็นเครื่องมือวินิจฉัยโรค ALS (Amyotrophic Lateral Sclerosis) หรือโรคกล้ามเนื้ออ่อนแรง
ผู้ป่วย ALS แสดง SICI ที่ลดลงตามที่แสดงให้เห็นทั้งโดยวิธี TMS แบบ paired pulse ทั่วไปและวิธีที่ใหม่กว่าคือ threshold-tracking TMS (TT-TMS) ข้อได้เปรียบที่อ้างถึงสำหรับ TT-TMS ได้แก่ ความสามารถในการทำซ้ำที่สูงกว่า เวลาการตรวจสอบที่สั้นกว่า และขนาดตัวอย่างที่จำเป็นน้อยกว่าสำหรับการศึกษาเชิงแทรกแซง
ข้อแตกต่างพื้นฐานระหว่างสองคอยล์
คอยล์รูปเลข 8 มีข้อได้เปรียบในการสร้างการกระตุ้นที่จำเพาะเจาะจงมากขึ้นซึ่งต้องการความเข้มของการกระตุ้นต่ำกว่า แต่การศึกษาส่วนใหญ่ที่เสนอ TT-TMS เป็น biomarker การวินิจฉัยและการพยากรณ์โรคสำหรับ ALS ได้ใช้คอยล์วงกลม ความขัดแย้งนี้ทำให้เกิดคำถามสำคัญว่าควรใช้คอยล์ชนิดใดในการตรวจผู้ป่วย
ระเบียบวิธีวิจัย
การศึกษานี้ทำในอาสาสมัครสุขภาพดี 20 คน (อายุ 45.5 ± 6.7 ปี เป็นผู้หญิง 9 คนและผู้ชาย 11 คน) โดยทำการตรวจสองครั้งกับแต่ละคอยล์ในเซสชันเช้าและบ่ายในวันเดียวกัน พร้อมวัด T-SICI ที่ช่วงเวลาระหว่างการกระตุ้น (ISI) ตั้งแต่ 1-7 ms หลังการตรวจแต่ละครั้ง อาสาสมัครให้คะแนนความเจ็บปวดหรือความไม่สบายตั้งแต่ 0-10 โดยใช้ Numerical Rating Scale (NRS)
ผลการศึกษา: ความสามารถในการทำซ้ำ
ผลการศึกษาพบว่าคอยล์ทั้งสองชนิดมีความสามารถในการทำซ้ำที่ใกล้เคียงกัน ขอบเขตของความตกลงไม่แตกต่างกันระหว่างคอยล์สำหรับ ISI ใดๆ อย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ (p > 0.1) แต่ทั้งสองคอยล์มีขอบเขตความตกลงที่ค่อนข้างกว้าง ตั้งแต่ ±11.5% (คอยล์วงกลม ISI 1-7ms) ถึง ±21.8% (คอยล์รูปเลข 8 ISI 3ms) โดยมีความกว้างเฉลี่ย ±15.9%
ความกว้างของขอบเขตนี้เป็นสิ่งที่ต้องระวัง เนื่องจากบ่งชี้ว่าการวัดซ้ำหลายครั้งอาจจำเป็นสำหรับการวินิจฉัย
ผลการศึกษา: ค่า SICI และความแปรปรวน
สำหรับคอยล์ทั้งสอง SICI เฉลี่ยสูงสุดพบที่ ISI 3ms และ SICI เฉลี่ยแตกต่างกันเพียงที่ ISI 2ms ระหว่างคอยล์ทั้งสอง ความแปรปรวนภายในบุคคลไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างชนิดคอยล์
ข้อแตกต่างที่สำคัญมากในทางคลินิกคือความแปรปรวนระหว่างบุคคล ความแปรปรวนเกณฑ์ระหว่างบุคคล ซึ่งวัดด้วย SD น้อยกว่าด้วยคอยล์รูปเลข 8 มากกว่าคอยล์วงกลมสำหรับ ISI เกือบทั้งหมด และน้อยกว่าอย่างมีนัยสำคัญในประมาณครึ่งหนึ่งของ ISI จำนวนการบันทึกที่ไม่มีการยับยั้ง คือที่มีเกณฑ์ต่ำกว่า RMT น้อยกว่าด้วยคอยล์รูปเลข 8 มากกว่าด้วยคอยล์วงกลมสำหรับ ISI ทั้งหมดตั้งแต่ 1 ถึง 3.5ms
ตัวเลขนี้มีความสำคัญมากในทางคลินิก เราพบว่าไม่มีการบันทึกคอยล์รูปเลข 8 ที่ไม่มีการยับยั้งที่ ISI 3, 3.5 และ 1-3.5ms ในขณะที่คอยล์วงกลมให้การบันทึกทั้งหมด 13 รายการ (10.8%) ที่ไม่มีการยับยั้งที่ ISI เหล่านั้น สิ่งนี้อาจบ่งชี้ถึงความสามารถในการประยุกต์ใช้ที่ดีกว่าของคอยล์รูปเลข 8 ในผู้ป่วย
ผลการศึกษา: ความเจ็บปวดและความไม่สบาย
ประเด็นที่ไม่ควรมองข้ามในการเลือกคอยล์คือความสะดวกสบายของผู้ป่วย โดยเฉพาะเมื่อต้องทำการตรวจซ้ำหลายครั้ง อาสาสมัครส่วนใหญ่รู้สึกเจ็บปวดหรือไม่สบายเพียงเล็กน้อยกับทั้งสองคอยล์ อย่างไรก็ตาม คะแนน NRS เฉลี่ยต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญสำหรับคอยล์รูปเลข 8 (1.90 ± 1.28) มากกว่าคอยล์วงกลม (2.83 ± 1.60) (p < 0.001)
ความแตกต่างนี้น่าจะเกิดจากคุณสมบัติของสนามไฟฟ้าที่แตกต่างกัน คอยล์รูปเลข 8 กระตุ้นบริเวณที่แคบกว่าและแม่นยำกว่า ทำให้การกระตุ้นที่ผิวหนังและเนื้อเยื่อนอกสมองน้อยกว่าคอยล์วงกลมที่กระจายสนามกว้างกว่า
ค่าเกณฑ์มอเตอร์ขณะพัก
ค่าเฉลี่ยเกณฑ์มอเตอร์ขณะพักสำหรับการตอบสนอง 200 µV peak-to-peak สูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญสำหรับคอยล์วงกลม (เฉลี่ย: 64.2±10.90) มากกว่าคอยล์รูปเลข 8 (เฉลี่ย: 59.6±10.86) (p < 0.05) ความแตกต่างนี้สอดคล้องกับทฤษฎีที่ว่าคอยล์รูปเลข 8 มีความจำเพาะเจาะจงสูงกว่า จึงกระตุ้นเป้าหมายได้มีประสิทธิภาพมากกว่าด้วยพลังงานน้อยกว่า
การเชื่อมโยงระหว่างสองงานวิจัย
เมื่อนำข้อมูลจากทั้งสองงานวิจัยมาพิจารณาร่วมกัน จะเห็นภาพที่สอดคล้องกันอย่างน่าสนใจ
งานวิจัยของ Duke แสดงให้เห็นในเชิงทฤษฎีและการจำลองว่าคอยล์ที่มีความจำเพาะเจาะจงสูงกว่าช่วยให้การกระตุ้นมีคุณภาพดีกว่า ในขณะที่งานวิจัยจาก Aarhus ยืนยันในทางคลินิกว่าคอยล์รูปเลข 8 ซึ่งมีความจำเพาะเจาะจงสูงกว่าคอยล์วงกลม ให้ผลการวัด SICI ที่สม่ำเสมอกว่า มีความแปรปรวนระหว่างบุคคลน้อยกว่า และสร้างความเจ็บปวดน้อยกว่า
ความจำเพาะเจาะจงที่สูงกว่าของคอยล์รูปเลข 8 ทำให้การกระตุ้นวงจรประสาทที่ต้องการมีความสม่ำเสมอมากขึ้นในแต่ละบุคคล ลดโอกาสที่คอยล์จะกระตุ้นโครงสร้างที่ไม่ต้องการ ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมการกระจายผลการวัดระหว่างบุคคลจึงแคบกว่าเมื่อใช้คอยล์รูปเลข 8
นัยสำคัญทางคลินิกและการประยุกต์ใช้
สำหรับการวินิจฉัยโรค ALS
เนื่องจากห้องปฏิบัติการส่วนใหญ่ใช้คอยล์รูปเลข 8 จึงเป็นเรื่องที่มีความสนใจทางคลินิกอย่างมากในการเปรียบเทียบคอยล์สองชนิดนี้ก่อนที่ห้องปฏิบัติการอื่นจะเริ่มทดสอบประโยชน์ของ T-SICI ในการวินิจฉัย ALS ผลการวิจัยนี้ให้ความมั่นใจว่าผู้ปฏิบัติงานที่ใช้คอยล์รูปเลข 8 สามารถดำเนินการทดสอบ T-SICI ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และอาจได้ผลที่ดีกว่าด้วยซ้ำ
สำหรับการพัฒนาคอยล์ในอนาคต
กรอบงานการเพิ่มประสิทธิภาพมีลักษณะทั่วไปและสามารถนำไปใช้กับพื้นผิวคอยล์และแบบจำลองหัวได้หลากหลาย บนตาข่ายสามเหลี่ยมของพื้นผิวคอยล์โดยพลการ สามารถกำหนดโหมดเป็น loop-finite elements บนจุดยอดของตาข่ายได้ จากนั้นจึงใช้เทคนิคลดมิติในการลดจำนวนโหมดทั้งหมด
เส้นทางในอนาคตที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือการใช้แบบจำลองหัวที่เฉพาะเจาะจงต่อผู้ป่วยแต่ละราย ซึ่งจะช่วยให้ออกแบบคอยล์ที่เหมาะสมกับกายวิภาคของสมองผู้ป่วยแต่ละคนได้
บทสรุป
การวิจัยเกี่ยวกับคอยล์ TMS กำลังก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในสองแนวทางที่เสริมซึ่งกันและกัน
ในด้านวิศวกรรมและฟิสิกส์ งานวิจัยของ Gomez และคณะแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกในรอบสามทศวรรษว่าขีดจำกัดทางกายภาพของการแลกเปลี่ยนระหว่างความลึกและความจำเพาะเจาะจงนั้นยังไม่ถึงจุดสูงสุด และการออกแบบคอยล์ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงคำนวณสามารถทะลุข้อจำกัดของคอยล์รูปเลข 8 แบบดั้งเดิมได้
ในด้านคลินิก งานวิจัยของ Ørskow และคณะยืนยันว่าคอยล์รูปเลข 8 มีข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือคอยล์วงกลมสำหรับการวัด T-SICI ทั้งในแง่ความสม่ำเสมอของผลการวัดและความสะดวกสบายของผู้ป่วย
สองงานวิจัยนี้ชี้ไปในทิศทางเดียวกันว่า ความจำเพาะเจาะจงของสนามไฟฟ้าที่สูงขึ้นเป็นกุญแจสำคัญสู่ TMS ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ทั้งในแง่ของความแม่นยำทางวิทยาศาสตร์และความเป็นประโยชน์ทางคลินิก ในอนาคต การรวมการออกแบบคอยล์ที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยคอมพิวเตอร์เข้ากับแนวทางปฏิบัติทางคลินิกที่ดีที่สุดน่าจะช่วยให้การวินิจฉัยและการรักษาโรคทางระบบประสาทด้วย TMS มีประสิทธิภาพและแม่นยำยิ่งขึ้นในอนาคตอันใกล้
References
- Gomez, L. J., Goetz, S. M., & Peterchev, A. V. (2018). Design of transcranial magnetic stimulation coils with optimal trade-off between depth, focality, and energy. bioRxiv preprint. https://doi.org/10.1101/300616
- Ørskow, S., Bostock, H., Howells, J., Pugdahl, K., Fuglsang-Frederiksen, A., Nielsen, C. S.-Z., Cengiz, B., Samusyte, G., Koltzenburg, M., & Tankisi, H. Comparison of figure-of-8 and circular coils for threshold tracking transcranial magnetic stimulation measurements. Clinical Neurophysiology [Accepted manuscript].