Politecnico di Bari

Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dell’Informazione – Bari

Corso di Laurea in INGEGNERIA DEI SISTEMI MEDICALI

Tesi di Laurea

in

strumentazione biomedicale

STIMOLAZIONE MAGNETICA TRANSCRANICA:

APPLICAZIONI E STRUMENTI DI SIMULAZIONE

Relatore:

Chiar.mo Prof. Mario SAVINO

Correlatori:

Chiar.mo Ing. Attilio DI NISIO

Chiar.mo Ing. Maurizio SPADAVECCHIA 

Laureanda: Alessandra ALGIERI

ANNO ACCADEMICO 2019/20

Illustrare la Stimolazione Magnetica Transcranica (o TMS) come tecnica di stimolazione cerebrale, descrivendone:

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• i principi di funzionamento

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• gli ambiti applicativi

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• gli strumenti di simulazione utilizzati per riprodurne gli effetti sui neuroni

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Stimolazione Magnetica Transcranica: applicazioni e strumenti di simulazione – Alessandra ALGIERI

OBIETTIVO

• metodo non invasivo

• consente di stimolare e studiare il funzionamento dei circuiti e delle connessioni neuronali del cervello

INTRODUZIONE ALLA TMS

• approvata dalla Food and Drug Administration (FDA) come trattamento per la depressione resistente e per il dolore associato ad alcune emicranie

Stimolazione Magnetica Transcranica: applicazioni e strumenti di simulazione – Alessandra ALGIERI

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• Legge di Faraday

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• Principio di mutua induzione

METODI DI STIMOLAZIONE

• Single Pulse TMS
• rTMS

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Stimolazione Magnetica Transcranica: applicazioni e strumenti di simulazione – Alessandra ALGIERI

BASI FISICO-TECNOLOGICHE DELLO STIMOLATORE

MagVenture TMS Therapy system

1. stimolatore magnetico
2. bobina magnetica per localizzare il punto esatto di trattamento e il livello di intensità
3. bobina magnetica per il trattamento TMS
4. carrello per lo stimolatore
5. poltrona per trattamenti
6. cuscino che si adatta intorno alla testa
7. cappellini in cotone
8. unità di raffreddamento

Stimolazione Magnetica Transcranica: applicazioni e strumenti di simulazione – Alessandra ALGIERI

COMPONENTI PRINCIPALI DI UN SISTEMA TMS

• Circolare semplice
• diametro esterno 8-12 cm
• 5-20 avvolgimenti
• posizionata al vertice cranico

• A figura di 8
• due bobine circolari complanari
• eccitazione compatta
• campi elettrici perpendicolari�al cuoio capelluto

• Bobina H
• campi elettrici tangenziali alla �testa
• guida i campi più in profondità nel cervello

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BOBINE DI STIMOLAZIONE

• Array multicanale
• eccitazione focalizzata
• può essere convertito in uno a singolo canale

Conversione di un array multicanale in uno a singolo canale

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BOBINE DI STIMOLAZIONE

• ambiente di simulazione
• multi-piattaforma (Unix, Linux, Windows)
• linguaggio Hoc, integrabile con Python
• ModelDB

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• modellizzazioni teoriche (modello a cavo dell’assone)

• tecniche di neuroimaging funzionale

• simulazioni computazionali
• reti neurali (naturali e artificiali)
• Software (NEURON, NEST, ..)

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STUDIO DEL SISTEMA NERVOSO

• Nell’architettura dell’ambiente di simulazione NEURON sono chiaramente identificabili tre livelli:
• una GUI composta da due moduli:
• una toolbar
• una shell di comandi testuale
• un interprete
• un motore computazionale

• Linguaggi di programmazione:

• Sintassi "naturale"
• concetti di section e segment

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Stimolazione Magnetica Transcranica: applicazioni e strumenti di simulazione – Alessandra ALGIERI

Cable equation unidimensionale

con V ed F funzioni continue dello spazio e del tempo, rappresentati da X e T rispettivamente (opportunamente dimensionati).

r_i,o restistenze assiali

r_m resistenza di membrana

c_m capacità di membrana

i_i corrente assiale

i_m corrente di membrana

E_r potenziale di riposo

C_m capacità specifica di membrana

R_m resistenza specifica di membrana

Membrana biologica

Rappresentazione circuitale equivalente

• Il cavo (assone) è un tubo lineare, infinitamente lungo�I parametri di membrana (r_i, r_o, c_m) sono lineari e non dipendono dal potenziale di membrana

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MODELLO A CAVO DELL’ASSONE

Corrente transmembrana indotta dalla stimolazione magnetica in ciascun compartimento:

con s₀ e s₁ estremità del compartimento

Modello di cellula piramidale appartenente al quinto layer della corteccia cerebrale

Potenziale di membrana del soma, senza stimolazione magnetica

Emissione di un impulso magnetico nell’istante indicato dalla freccia

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MODELLI DI STIMOLAZIONE MAGNETICA DEI NEURONI

Bobina circolare parallela al neurone target

• distanza dalla bobina: 1 cm
• raggio della bobina: 2 cm
• loops della bobina: 30

Campo elettrico indotto:

Assone rettilineo

• diametro: 100 µm
• lunghezza : 16 cm lungo l’asse x

Potenziale di membrana per uno stimolo sottosoglia �(V = 30mV)

Potenziale di membrana per uno stimolo sopra-soglia �(V = 36mV)

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MODELLI DI STIMOLAZIONE MAGNETICA DEI NEURONI

MALATTIA DI PARKINSON

RIABILITAZIONE POST-ICTUS

Sincronia del modello

rTMS and Hand Therapy

DISTURBI PSICOLOGICI E PSICHIATRICI

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SPERIMENTAZIONI TERAPEUTICHE

BRAIN-TO-BRAIN INTERFACE

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CONCLUSIONI E PROSPETTIVE FUTURE

TMS

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Stimolazione Magnetica Transcranica: applicazioni e strumenti di simulazione – Alessandra ALGIERI

Grazie per l’attenzione