經顱磁刺激技術的基本原理及應用現狀

張衛東

武漢市武昌醫院 設備科，湖北 武漢 430063

0 前言

直接的電刺激具有創傷性，會給受試者造成不適的感覺，因而在臨床上的應用受到了限制；同時，使用電流刺激中樞神經系統時，顱骨的存在會使刺激電流有較大的衰減，深部組織難以得到刺激。神經組織和腦組織的磁刺激的工作原理基于法拉第電磁感應定律，即當人體暴露于時變磁場中時，會產生感應電流或渦流。經顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）為抑郁癥、帕金森疾病等的治療提供了新的方式[1]。相比于電刺激，TMS尤其在刺激深部腦區域時有顯著效果，但也會引發一些不良反應。為了最大限度避免副作用的產生，需要增強線圈的聚焦性，使非目標區域盡可能減小。

TMS由Barker于1985年首次提出[2]，從此揭開了磁刺激技術及其臨床研究的序幕。經過二十多年的發展，TMS已經取得了很大進步。其刺激模式從單脈沖刺激，已發展到雙脈沖和重復經顱磁刺激（rTMS）[3]，刺激頻率也由低頻轉向高頻。TMS現已廣泛應用于康復醫學和精神心理學領域[4]。

1 TMS基本原理

1.1 時變電流產生時變磁場

TMS是在體外經皮使用強磁場脈沖實現的。產生磁場的方法有很多，但由于磁刺激強度和刺激對象的要求，現有磁刺激儀均采用線圈產生磁場。根據Biot-Savart定律，若流入任意閉合電線的電路元為I(t)ds，在可興奮組織內部矢徑為r的任一點處由閉合電流線產生的時變磁場為[5]：

其中：μ為被刺激組織磁導率；R=r-r’，r為可興奮組織內部任一點處的矢徑（目標點）；r’為線圈上任一點處的矢徑（刺激點）；R為他們的相對的矢徑。(1)式中B（r，t）可以分成相互獨立的三部分：時間部分I(t)、閉合積分的空間部分和組織磁導率μ。由于積分沿閉合電流線C，積分項也和被刺激點與電流線任一電流元的相對位置有關，所以，空間部分即磁場空間分布由線圈的幾何形狀和尺寸及被刺激點與線圈的相對位置來決定。為了有選擇的聚焦磁刺激，需要合理設計線圈包括集合形狀和尺寸，這是磁刺激線圈設計與優化問題。時間部分I(t)由磁刺激儀的儲能電容放電產生。I(t)決定了B(r，t)的時間歷程，而B(r，t)的時間歷程還由細胞膜時間常數、刺激組織興奮需要的能量等決定，實現一定波形的I(t)是磁刺激中電路設計問題。

1.2 時變磁場產生渦旋感應電場

TMS激活的動力來自由時變磁場B(r，t)在組織內產生的感應電場E。根據法拉第定律，時變磁場在組織內的感應電場可由下式獲得：

從(2)式可以看出，時變磁場是產生感應電場的源，感應電場是一個渦旋場。磁刺激建模就是要建立不同組織電導率模型如頭、脊柱和肢體，分析其內的感應場分布，尋找磁刺激興奮閾值的功率強度，確定磁刺激興奮點和刺激方向[6]。

1.3 感應電場除極化細胞膜

細胞膜保持著一個電位差，細胞跨膜電位是70 mV。外加電場疊加到細胞膜兩側可以改變細胞膜電位差，因此，外加電場能夠除極化細胞膜，激活可興奮性組織如神經等。在細胞水平上，磁刺激被認為是激活軸突而不是神經元的胞體或其它部分，跨膜電位可由電纜方程進行描述[7]：

（3）式中：λ和τ分別是纖維的空間和時間常數，χ是沿軸突的軸向距離。是感應電場E沿軸突分量的梯度，也是激活函數。激活函數的幅度、符號和時間歷程決定興奮是否發生和沿軸突的興奮在何處產生。當是負值時，軸突除極化；正值時，軸突超極化。神經興奮點位于激活函數的負峰值。

2 TMS在臨床中的應用

2.1 TMS對神經疾病的作用

TMS對腦梗死、癲癇、帕金森等神經疾病的康復有積極作用。TMS通過對大腦皮層不同頻率的刺激能夠改善局部腦血流，調節腦內神經因子的表達從而達到保護腦組織、促進神經功能康復的目的，為腦梗死的臨床康復治療提供了新的借鑒手段[8]。但是其對腦血流的影響、對腦內神經因子表達的調節機制及安全性等諸多問題還需進一步深入研究和討論[9]。TMS可以調節大腦皮質的興奮性，高頻TMS（頻率≥5 Hz）可以增加大腦皮質的興奮性，低頻TMS（頻率≤1 Hz）則可以抑制大腦皮質興奮從而抑制癲癇的發生[10]。TMS治療帕金森疾病的機制可能與其對皮層興奮性、神經營養因子的分泌以及兒茶酚胺的代謝的調節相關[11]。且TMS不僅可以暫時緩解帕金森病患者的臨床癥狀，在治療完成后的相當一段時間內仍然可以起到保護患者的作用。TMS在帕金森疾病治療方面顯示出極大潛力，相信隨著技術的不斷成熟，TMS一定能為帕金森疾病的防治作出更大貢獻。

2.2 TMS對失眠和耳鳴的治療作用

林冬冬等設計出一種新型的連續TMS系統，能夠將真實睡眠、腦電、音樂等幾種具有典型波形的刺激信號，轉換成空間交變磁場直接耦合進大腦的睡眠中樞，同時對圓形線圈在真實頭模型下的磁場和感應電流分布進行了有限元仿真，為進一步的臨床研究提供了可靠的實驗平臺[11]。劉運洲等的研究發現rTMS能夠提高睡眠質量[12]。TMS治療耳鳴目前在國際上尚處于起步階段，屬于一種較前沿的治療手段。國外的研究表明，TMS對耳鳴有明顯的改善作用，有望治療某些特定類型的耳鳴，但還存在一些不良反應[13]。國內尚無此類研究。

2.3 TMS對抑郁癥的治療作用

通過改善人的情緒來治療抑郁癥的研究引起了神經與精神科學工作者的極大興趣。抑郁癥是一種世界性的疾病，藥物治療費用昂貴。多年來大量研究數據顯示，前額葉TMS對治療抑郁癥具有確切療效，其治療效果與藥物治療效果相似，而且是一種局部的、沒有副作用的治療方法[14]。目前關于TMS治療的研究主要集中在對急性抑郁癥以外的不同抑郁亞型的治療上，以及是否可以用于抑郁癥的維持治療上。對于早期的抑郁癥病人，經顱磁刺激治療的療效更快，費用也會更低[14]，因此主張在疾病早期使用TMS進行治療。

3 磁刺激的安全性

現在全世界運行著l000多臺TMS設備，而關于治療過程中產生的副作用的報告寥寥無幾。從總體調查來看，單脈沖的TMS非常安全；重復性TMS研究中報告的副反應略多，主要是高頻TMS可引發某些患者的癲癇，但迄今為止未見有關于TMS長期副作用的報告。除了要警惕患者在治療中發生驚厥以外，還要注意TMS對患者認知和情緒健康所引起的可能性影響。孕婦應該慎用TMS，患有癲癇、腦內有永久性的金屬植入物或裝有心臟起搏器的患者，應禁用高頻TMS。

由于皮膚、皮下組織和顱骨的電阻率遠大于腦部神經，TMS治療時只有極微小的電流通過頭皮和顱骨，受試者基本無不適感覺，有較好的安全保障。低頻TMS的不良反應主要是會使患者產生輕微的頭痛，但只要遵循一定的刺激參數，并不會對大腦組織產生損傷。

4 總結與展望

TMS作為一種無痛、無損傷、有效的臨床診斷和治療方法，已經在癲癇、抑郁癥及其他一些神經或精神疾病中得到了一定范圍的應用。國內已有報道表明TMS在腦卒中后康復，顱腦損傷治療后的語言、認知、運動、情緒等方面的功能障礙治療中均取得了較好的效果。但TMS技術起步較晚，許多工作還有待于在臨床中進一步開展。隨著TMS技術的不斷發展以及臨床醫學研究的不斷深入，TMS將與臨床醫學結合地更加緊密。TMS的安全性也是仍然存在爭議的問題。因此，在采用TMS治療時，要綜合考慮多種因素，以取得最佳的治療效果。

[1]竇祖林,廖家華,宋為群.經顱磁刺激技術基礎與臨床應用[M].1版.北京:人民衛生出版社,2012.

[2]Barker AT,Jalinous R,Freeston IL.Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex[J].Lancet,1985,1(8437):1106-1107.

[3]萬振寬.重復經顱磁刺激(含定位導航系統)技術及臨床應用[J].中國醫療設備,2011,26(1):99-101.

[4]吳小鷹,鄭小林.磁刺激在生物醫學中的應用[J].生物醫學工程學雜志,2007,24(4):950-953.

[5]王明時,李岳峙,王學民.不同時變磁場對神經纖維的誘導刺激作用的仿真研究[J].生物物理學報,2002,18(3):331-335.

[6]Padberg F,George MS.Repetitive transcranial magnetic stimulation of the prefrontal cortex in depression[J].Exp Neurol,2009,219(1):2-13.

[7]Khedr EM,Abdel- Fadeil MR,Farghali A,et al.Role of 1 and 3 Hz repetitive transcranial magnetic stimula-tion on motor function recovery after acute ischaemic stroke[J].Eur J Neurol, 2009,16(12):1323-1330.

[8]劉翱翔,瞿勇強,張桓,等.經顱磁刺激在神經系統疾病中的應用[J].昆明醫科大學學報,2012,21(5):154-158.

[9]曹靜,丁成云,樊永平.經顱磁刺激在癲癇研究中的應用[J].中國臨床康復,2005,9(45):119-121.

[10]孫秀巧,王彥永,王銘維.低頻重復經顱磁刺激對帕金森病大鼠行為學的影響[J].疑難病雜志,2009,8(3):141-143.

[11]林冬冬,周鵬,賀咸忠,等.連續經顱磁刺激睡眠儀系統的設計[J].生物醫學工程與臨床,2010,14(3):260-263.

[12]劉運洲,張忠秋.重復經顱磁刺激(rTMS)提高睡眠質量的研究[J].體育科學,2011,31(11):71-76.

[13]崔婷婷,高志強.重復經顱磁刺激治療耳鳴的研究進展[J].協和醫學雜志,2012,2(20):222-226.

[14]王義義.經顱磁刺激治療抑郁癥研究進展[J].武警醫學院學報,2011,20(8):669-671.