ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา การแพทย์ด้านประสาทวิทยาได้พัฒนาก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะเทคนิคการรักษาโรคทางระบบประสาทและจิตเวชที่ไม่ต้องอาศัยการผ่าตัด หนึ่งในเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางคือ การกระตุ้นสมองด้วยคลื่นแม่เหล็กผ่านกะโหลกศีรษะ (Transcranial Magnetic Stimulation หรือ TMS) ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนการทำงานของเซลล์ประสาทในสมองได้โดยตรง โดยไม่ต้องเปิดกะโหลกหรือใช้ยาที่อาจมีผลข้างเคียง
TMS ได้รับการรับรองจากองค์การอาหารและยาสหรัฐอเมริกา (FDA) สำหรับการรักษาโรคซึมเศร้าขั้นรุนแรงตั้งแต่ปี ค.ศ. 2008 และต่อมาได้รับการรับรองเพิ่มเติมสำหรับโรคปวดหัวไมเกรนในปี ค.ศ. 2013 และโรคย้ำคิดย้ำทำ (OCD) ในปี ค.ศ. 2018 อีกด้วย ความก้าวหน้าเหล่านี้สะท้อนให้เห็นถึงศักยภาพอันสูงของ TMS ในฐานะทางเลือกการรักษาที่ปลอดภัยและมีประสิทธิผล
บทความนี้นำเสนอความรู้เกี่ยวกับหลักการทำงานของ TMS นวัตกรรมการออกแบบขดลวดชนิดใหม่ที่เรียกว่า Quadruple Butterfly Coil (QBC) และผลของทิศทางการวางขดลวดต่อประสิทธิภาพการกระตุ้นสมอง โดยอิงจากผลการศึกษาวิจัยของ Rastogi และคณะ (2017) และ Afuwape และคณะ (2021)
หลักการทำงานของ TMS
TMS ทำงานบนพื้นฐานของกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ เมื่อกระแสไฟฟ้าพัลส์ไหลผ่านขดลวดแม่เหล็กที่วางบนหนังศีรษะ จะเกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา สนามแม่เหล็กนี้จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า (Electric Field หรือ E-Field) ภายในสมอง ซึ่งทำให้เซลล์ประสาทเกิดการ depolarization หรือ polarization นำไปสู่การกระตุ้นหรือยับยั้งการทำงานของวงจรประสาทในบริเวณที่ต้องการ
TMS สามารถให้กระตุ้นแบบพัลส์เดี่ยว หรือแบบต่อเนื่องซึ่งเรียกว่า repetitive TMS (rTMS) โดยความถี่ที่แตกต่างกันสามารถใช้เพื่อเพิ่มหรือลดกิจกรรมของเซลล์ประสาทได้ ความสามารถในการปรับเปลี่ยนวงจรประสาทอย่างไม่รุกรานและค่อนข้างไม่เจ็บปวดนี้ ทำให้ TMS มีข้อได้เปรียบเหนือเทคนิคเดิมอย่างการกระตุ้นสมองส่วนลึก (DBS) หรือการบำบัดด้วยไฟฟ้าชัก (ECT) อย่างมาก
ความท้าทายสำคัญ: ความแม่นยำในการกระตุ้น
แม้ TMS จะมีข้อดีหลายประการ แต่ความท้าทายหลักที่นักวิจัยและแพทย์ต้องเผชิญคือการทำให้การกระตุ้นมีความเฉพาะเจาะจง (focality) สูง กล่าวคือ สามารถกระตุ้นเซลล์ประสาทในบริเวณเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ โดยไม่กระจายไปรบกวนบริเวณโดยรอบที่ไม่ต้องการรักษา
รูปทรงและขนาดของขดลวดแม่เหล็กมีบทบาทสำคัญในการกำหนดความเฉพาะเจาะจงและความลึกในการกระตุ้น ขดลวดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบันคือ ขดลวดรูปเลข 8 (Figure-of-Eight Coil หรือ FOE coil) ซึ่งนำเสนอโดย Ueno และคณะตั้งแต่ปี ค.ศ. 1988 ขดลวดชนิดนี้ให้การกระตุ้นที่เฉพาะเจาะจงกว่าขดลวดแบบวงกลมทั่วไป และได้รับการรับรองจาก FDA สำหรับการรักษาโรคซึมเศร้า
อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีขดลวดชนิดใดที่แสดงให้เห็นถึงการพัฒนาด้านความเฉพาะเจาะจงอย่างมีนัยสำคัญเหนือขดลวดรูปเลข 8 ในขณะที่ยังคงรักษาระดับความเข้มของสนามไฟฟ้าที่เพียงพอสำหรับการกระตุ้นที่ระดับความลึกของผิวสมอง
นวัตกรรม: ขดลวด Quadruple Butterfly Coil (QBC)
เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว Rastogi และคณะจาก Iowa State University ได้พัฒนาขดลวดรูปแบบใหม่ที่มีชื่อว่า Quadruple Butterfly Coil (QBC) ขึ้นในปี ค.ศ. 2017
โครงสร้างและการออกแบบ
QBC ประกอบด้วยขดลวดสองชุด ได้แก่ ขดลวดชุดใหญ่ซึ่งมีขนาดเท่ากับขดลวดรูปเลข 8 และขดลวดชุดเล็กซึ่งมีขนาดเพียง 40% ของขดลวดชุดใหญ่ โดยทั้งสองชุดเอียงทำมุม 45 องศา แต่ละชุดมีจำนวนรอบการพันเท่ากับขดลวดรูปเลข 8 และกระแสไฟฟ้าในขดลวดซ้ายและขวาไหลในทิศทางเดียวกัน ณ จุดที่ขดลวดเข้าใกล้กันมากที่สุด ทำให้เกิดการรวมตัวของความเข้มสนาม
เหตุผลที่เพิ่มขดลวดชุดเล็กเข้าไปในการออกแบบคือ เพื่อชดเชยการสูญเสียของ magnetic vector potential เหนือบริเวณเป้าหมายที่เกิดขึ้นเมื่อขดลวดถูกเอียงขึ้น ซึ่งส่งผลให้สนามไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำได้ใกล้เคียงกับขดลวดรูปเลข 8 มากขึ้น ในขณะที่ยังคงรักษาความเฉพาะเจาะจงที่เพิ่มขึ้นจากการปรับมุมเอียงไว้ได้
ผลการเปรียบเทียบกับขดลวดรูปเลข 8
การศึกษาใช้แบบจำลองศีรษะ 50 แบบที่ได้จากการสแกน MRI ของอาสาสมัครที่มีสุขภาพดี อายุระหว่าง 22-35 ปี ผลการวิจัยพบว่า:
QBC แสดงให้เห็นถึงการลดลงของปริมาตรสมองที่ได้รับการกระตุ้นสูง (V-Half) ถึง 11.6% เมื่อเทียบกับขดลวดรูปเลข 8 ซึ่งถือเป็นการลดลงที่มีนัยสำคัญ นอกจากนี้ QBC ยังมีการปรับปรุงตำแหน่งของสนามไฟฟ้าสูงสุดให้ตรงกับเป้าหมายมากขึ้นถึง 8% เมื่อเทียบกับขดลวดรูปเลข 8
อย่างไรก็ตาม ข้อที่ต้องพึงระวังคือ QBC กระตุ้นด้วยความเข้มที่อ่อนกว่าขดลวดรูปเลข 8 เมื่อใช้ความเข้มกระแสเท่ากัน แต่ทั้งสองขดลวดมีอัตราส่วนของสนามไฟฟ้าบนหนังศีรษะต่อสมองที่ใกล้เคียงกัน ซึ่งมีความสำคัญในการป้องกันการกระตุ้นมากเกินไปของเส้นประสาทใกล้บริเวณที่กระตุ้น
ทิศทางการวางขดลวด: ปัจจัยที่มักถูกมองข้าม
นอกจากรูปทรงของขดลวดแล้ว ทิศทางการวางขดลวด ก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการรักษา ซึ่งในทางคลินิกมักถูกละเลยเนื่องจากการปรับทิศทางต้องใช้เวลาเพิ่มเติมและทำให้ผู้ป่วยได้รับการกระตุ้นสมองโดยไม่จำเป็น
การศึกษาพบว่าทิศทางของขดลวดส่งผลต่อทั้งขนาดและทิศทางของสนามไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำ นอกจากนี้ยังมีผลต่อความลึกในการแทรกซึมของสนามไฟฟ้าในสมอง Afuwape และคณะจึงทำการศึกษาอย่างเป็นระบบโดยใช้แบบจำลองศีรษะสองแบบที่มีรายละเอียดทางกายวิภาคสูง เพื่อหาทิศทางการวางขดลวด QBC ที่เหมาะสมที่สุด
วิธีการศึกษา
การวิเคราะห์ด้วยไฟไนต์เอลิเมนต์ถูกดำเนินการโดยใช้กระแสไฟฟ้า 5,000 แอมแปร์ที่ความถี่ 2.5 กิโลเฮิรตซ์ ซึ่งเทียบเท่ากับค่าที่ได้จากเครื่อง TMS ทั่วไปในทางคลินิก การศึกษาครอบคลุมการหมุนขดลวดทีละ 15 องศา ทั้งในระนาบแนวขวาง (transverse plane) และระนาบแนวหน้า (coronal plane)
ผลการศึกษา
ระนาบแนวขวาง (Transverse Plane): การเปลี่ยนทิศทางการวางขดลวดส่งผลชัดเจนต่อซีกสมองที่ถูกกระตุ้น สำหรับมุมบวก (15° ถึง 60°) ซีกซ้ายของสมองจะถูกกระตุ้นเป็นหลัก ในขณะที่มุมลบ (-15° ถึง -60°) ซีกขวาจะถูกกระตุ้นเป็นหลัก และไม่พบความสมมาตรในการกระจายตัวของสนามไฟฟ้าระหว่างสองซีก เนื่องจากความแตกต่างและความไม่สม่ำเสมอของชั้นกายวิภาคในแต่ละซีกสมอง
สำหรับแบบจำลองที่ 1 ทิศทาง -60° ให้ค่าสนามไฟฟ้าสูงสุดที่ 262.69 V/m ซึ่งเพิ่มขึ้นถึง 160.06% จากค่าเริ่มต้น จึงถือว่าเป็นทิศทางที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแบบจำลองนี้
ระนาบแนวหน้า (Coronal Plane): สำหรับแบบจำลองที่ 1 ทิศทาง 120° ถือเป็นทิศทางที่เหมาะสมที่สุด เนื่องจากให้ค่าสนามไฟฟ้าสูงสุดที่ 132.35 V/m (เพิ่มขึ้น 31.03% จากค่าเริ่มต้น) พร้อมกับการลดลงของปริมาตรที่ถูกกระตุ้นถึง 60.74% ซึ่งหมายความว่าการกระตุ้นมีความเข้มสูงขึ้นและกระจายไปยังบริเวณที่ไม่ต้องการน้อยลงอย่างมีนัยสำคัญ
ความสำคัญของความแตกต่างระหว่างบุคคล
ผลการวิจัยที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือ การวางขดลวดที่ดีที่สุดอาจแตกต่างกันไปในแต่ละบุคคล เนื่องจากโครงสร้างกายวิภาคของสมองแต่ละคนมีความแตกต่างกัน แบบจำลองศีรษะทั้งสองแสดงการกระจายตัวของสนามไฟฟ้าที่แตกต่างกันตามทิศทางการวางขดลวดในระนาบแนวขวางและระนาบแนวหน้า ยืนยันให้เห็นถึงผลของทิศทางการวางขดลวดต่อการกระจายตัวของสนามไฟฟ้า
นอกจากนี้ การจำลองแสดงให้เห็นว่าสำหรับขดลวดรูปเลข 8 ความเข้มของการกระตุ้นเหนือ dorsolateral prefrontal cortex สูงกว่าเหนือ vertex ถึงเกือบ 20% ซึ่งชี้ให้เห็นว่าตำแหน่งที่แตกต่างกันบนกะโหลกศีรษะอาจต้องใช้ความเข้มในการกระตุ้นที่แตกต่างกัน ข้อมูลนี้มีนัยสำคัญสำหรับการออกแบบโปรโตคอลการรักษาในทางคลินิก
ผลกระทบต่อการรักษาในทางคลินิก
ความรู้เกี่ยวกับการออกแบบขดลวดและทิศทางการวางขดลวดมีนัยสำคัญต่อการรักษาผู้ป่วยจริงในหลายด้าน ได้แก่
ด้านประสิทธิภาพการรักษา: การเลือกทิศทางการวางขดลวดที่เหมาะสมสามารถเพิ่มความเข้มของสนามไฟฟ้าในบริเวณเป้าหมายได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยไม่ต้องเพิ่มกระแสไฟฟ้าที่ป้อนเข้าเครื่อง
ด้านความปลอดภัย: การใช้ขดลวด QBC ซึ่งมีความเฉพาะเจาะจงสูงกว่า ช่วยลดการกระตุ้นบริเวณที่ไม่ใช่เป้าหมาย ลดความเสี่ยงต่อผลข้างเคียงที่อาจเกิดขึ้นจากการรบกวนวงจรประสาทโดยรอบ
ด้านการวางแผนการรักษา: การใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ช่วยกำหนดทิศทางการวางขดลวดที่เหมาะสมล่วงหน้า ช่วยลดปัญหาที่เกิดจากการที่แพทย์มักละเลยการปรับทิศทางขดลวด ซึ่งนำไปสู่การนัดรักษาเพิ่มเติมและการกระตุ้นสมองโดยไม่จำเป็น
บทสรุป
TMS เป็นเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องและมีศักยภาพสูงสำหรับการรักษาความผิดปกติทางระบบประสาทและจิตเวช การพัฒนาขดลวด QBC แสดงให้เห็นว่าการปรับปรุงการออกแบบขดลวดยังมีพื้นที่สำหรับการพัฒนาต่อยอดอีกมาก โดยเฉพาะในแง่ของความเฉพาะเจาะจง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการรักษาโรคที่เกี่ยวข้องกับวงจรประสาทเฉพาะเจาะจง
ในขณะเดียวกัน การศึกษาผลของทิศทางการวางขดลวดยืนยันว่า สิ่งที่ดูเหมือนรายละเอียดเล็กน้อยอย่างมุมการวางขดลวดสามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพการรักษาได้อย่างมีนัยสำคัญ การนำแบบจำลองคอมพิวเตอร์มาใช้วางแผนการรักษาเฉพาะบุคคลจึงน่าจะเป็นทิศทางสำคัญของการพัฒนา TMS ในอนาคต เพื่อให้ผู้ป่วยแต่ละรายได้รับประโยชน์สูงสุดจากเทคโนโลยีนี้
เอกสารอ้างอิง
Afuwape, O. F., Rastogi, P., & Jiles, D. (2021). Effect of coil positioning and orientation of the quadruple butterfly coil during transcranial magnetic stimulation. AIP Advances, 11, 015212. https://doi.org/10.1063/9.0000104
Rastogi, P., Lee, E. G., Hadimani, R. L., & Jiles, D. C. (2017). Transcranial Magnetic Stimulation-coil design with improved focality. AIP Advances, 7, 056705. https://doi.org/10.1063/1.4973604