[dTMS] 더블콘 코일의 초점성이 TMS에 주는 영향

이중 원추형 코일의 초점성이 경두개 자기 자극 성능에 미치는 영향

경두개 자기 자극(TMS) 코일의 공간적 특성은 근본적으로 치료적 효용을 결정하는데, 이중 원추형(DC) 코일의 감소된 초점성은 장점과 단점 모두를 가지고 있습니다. 이번 포스팅에서는 DC 코일의 더 넓은 전기장 프로파일이 더 초점이 맞춰진 코일 설계와 비교했을 때 임상적 효능, 안전성 매개변수, 기술적 구현에 어떤 영향을 미치는지 분석합니다.

[dTMS] 더블콘 코일과 DeepTMS 이중원뿔코일 ACDC TMS

DC-coil 의 초점성과 깊이의 적절성, 치료의 목표 지역과 유효자극 부피 ⓒ정신의학연구소(주)

모든 TMS 코일은 본질적인 깊이-초점 트레이드오프를 따르며, 침투 깊이가 증가하면 전기장 확산 범위가 넓어집니다. 계산 모델에 따르면, DC 코일은 4cm 깊이를 목표로 할 때 8자형 코일보다 40% 더 큰 유효 자극 부피(V₁/₂)를 나타냅니다(38cm3 대 27cm3). 이 확장된 볼륨은 코일의 120° 각진 권선으로 인해 발생하며, 이는 일치하는 깊이에서 H 코일의 3.8cm2에 비해 5.2cm2의 접선 전기장 확산(S1/2)을 생성합니다. 이로 인해 8자 코일에 비해서 정밀도가 감소하지만, 분리된 피질 노드보다는 상호 연결된 신경 회로의 동시 변조가 가능합니다.

Electric field depth–focality tradeoff in transcranial magnetic stimulation: simulation comparison of 50 coil designs - PMC

TMS 경두개 자기자극치료가 무엇인가요?부산정신과추천

DC 코일은 같은 크기의 H 코일보다 62% 낮은 펄스 에너지로 깊이 프로파일을 달성합니다. 유한 요소 시뮬레이션에 따르면, DC 코일의 표면 전기장 피크는 120V/m인 반면, H 코일의 경우 180V/m로, 두 코일 모두 두피 면적의 30% 이상에 걸쳐 전류 밀도를 분산시킵니다. 이 에너지 프로필은 DC 코일이 최대 자극 출력 55-70%에서 작동하면서 치료 필드 세기를 깊이에서 유지할 수 있도록 해줍니다. 따라서 H 코일에 필요한 특수 고출력 장치가 필요하지 않습니다.

주요 우울 장애는 배측 전두엽 피질(DMPFC)-전두엽 후부 피질(ACC)-전두엽 전두엽 피질(OFC) 회로 전반에 걸친 조절 장애를 수반합니다. 직경 3.4cm의 DC 코일의 자극 핫스팟(±1.2cm의 위치 허용 오차)은 등쪽 ACC(인지 제어)와 시상하부 ACC(감정 처리)를 동시에 자극합니다. 다기관 임상 시험에서 DMPFC를 대상으로 한 DC 프로토콜은 H 코일과 비슷한 47%의 완화율을 달성했지만, 혈관 주위 신경 활성화 감소로 인한 두통은 32% 감소했습니다.

뇌졸중 후 운동 회복은 DC 코일의 양측 필드 확산의 혜택을 받습니다. 일차 운동 피질(M1)에 대한 간헐적 세타파 자극(iTBS)은 H-코일 iTBS의 경우 12.3점 대비 18.7점 향상된 Fugl-Meyer 점수를 기록했는데, 이는 아마도 향상된 반구간 억제 균형2을 통해 가능했을 것입니다. 더 넓은 영역은 병변측 M1과 반대측 전운동 영역을 동시에 활성화합니다. 이는 좁은 범위의 코일로서는 달성할 수 없는 성과입니다.

Electric field depth–focality tradeoff in transcranial magnetic stimulation: simulation comparison of 50 coil designs - PMC

내측 전두엽-선조체 표적의 경우, DC 코일의 S₁/₂가 5.2cm²이므로 OFC와 등쪽 꼬리핵 자극을 동시에 보장합니다. 이 이중 경로 참여는 H 코일의 38%에 비해 42%의 Y-BOCS 감소를 가져오며, 습관 형성(OFC-striatum)과 오류 모니터링(ACC) 회로를 모두 다룹니다.

DC 코일은 전류를 30% 더 넓은 영역에 분산함으로써, H 코일의 180V/m에 비해 120V/m로 두피의 최대 전기장을 제한합니다. 이로써 다음과 같은 위험이 감소합니다.

1. Cranial nerve activation  : 안면 경련 발생률이 15%(H-코일)에서 5%로 감소
2. Thermal discomfort : 두피 온도 상승이 100% 출력에서 H-코일의 경우 ≤2.8°C인 반면 ≤1.5°C로 유지됨
3. Seizure risk : 휴식 상태의 운동 역치(RMT)가 낮아져 55% 출력에서 치료 효과를 발휘하는 반면, H-코일의 경우 90% 출력에서 치료 효과를 발휘함

Coil Design Considerations for Deep Transcranial Magnetic Stimulation - PMC

 

부산정신과 TMS치료에 중요한 3가지 연산동정신과 추천

DC 코일의 다리 모터 영역에 대한 RMT(최대 출력 39.7%)는 8자 코일(RMT 57.9%)에서 전환할 때 프로토콜 조정이 필요합니다. 강도 설정을 수정하지 않으면 장치 용량의 최대 150%에 달하는 초임계 펄스를 전달할 수 있으며, 이 경우 표면 자기장 강도에 대한 안전 지침을 위반하게 됩니다. 현재 권장 사항은 4cm 깊이를 목표로 할 때 DC 코일 출력을 최대 60%로 제한합니다.

MRI 유도 전기장 모델링에 따르면, DC 코일은 ±1.2cm의 배치 오프셋에서 80% 이상의 목표 결합을 유지합니다. 이 허용 오차는 ACC 위치의 해부학적 가변성을 수용하여(일반적으로 개인 간 ±0.8cm), H-코일 프로토콜에 비해 신경 내비게이션 설정 시간을 40% 단축합니다.

표준 TMS 장치(예: MagPro X100)는 DC 코일을 치료 강도(출력 55-70%)로 구동할 수 있지만, H-코일의 경우 특수한 100% 출력 시스템이 필요합니다. 이러한 호환성으로 인해 H-코일 플랫폼1에 비해 단위당 도입 비용이 $45,000-60,000 정도 낮아집니다.

DC 코일의 38cm³ V₁/₂는 DMPFC 목표에 인접한 디폴트 모드 네트워크 노드를 자극할 위험이 있습니다. 해결책은 다음과 같습니다.

1. Concurrent fMRI navigation  : 실시간 필드 모델링은 코일 각도를 조정하여 후방 대상회로의 관여를 최소화합니다.
2. Burst frequency tuning : 20Hz 프로토콜은 피질 회로를 우선적으로 활성화합니다.

대뇌 피질의 발작 초점이 3cm² 미만인 경우, DC 코일은 필드 희석으로 인해 8자 코일보다 22% 낮은 반응률을 보입니다. 초기 DC 프라이밍(5Hz)과 8자 자극(1Hz)을 사용하는 하이브리드 프로토콜은 결과를 37% 향상시킵니다.

결론

DC 코일의 고의적인 초점 조절 기능은 독특한 치료적 틈새를 만들어 냅니다. 즉, 적당한 깊이(4-5cm)와 광범위한 네트워크 변조 사이의 균형을 이룹니다. 밀리미터 단위의 정밀도에는 적합하지 않지만, 분산된 필드 프로필을 통해 우울증, 강박장애, 운동 회복 회로에 효율적으로 관여할 수 있으며, 이는 다중 노드 자극의 이점을 누릴 수 있습니다. 향후 코일 어레이는 DC와 같은 깊이 침투와 단계적 감기 활성화를 통한 동적 초점 조절 기능을 결합할 수 있습니다.

부산뇌자극치료 정신건강의학과 추천,ECT와 TMS 차이?

Impact of Double Cone Coil Focality on Transcranial Magnetic Stimulation Performance

The spatial characteristics of transcranial magnetic stimulation (TMS) coils fundamentally shape their therapeutic utility, with the double cone (DC) coil’s reduced focality presenting both opportunities and limitations. This report analyzes how the DC coil’s broader electric field profile influences clinical efficacy, safety parameters, and technical implementation compared to more focal coil designs.

Fundamental Depth-Focality Dynamics

Inverse Relationship in Electric Field Distribution

All TMS coils adhere to an intrinsic depth-focality tradeoff, where increased penetration depth necessitates wider electric field spread3. Computational models demonstrate that DC coils exhibit a half-value stimulation volume (V₁/₂) 40% larger than figure-8 coils (38 cm³ vs. 27 cm³) when targeting 4 cm depths13. This expanded volume arises from the coil’s 120° angled windings, which generate a tangential electric field spread (S₁/₂) of 5.2 cm² compared to 3.8 cm² for H-coils at matched depths23. While this reduces precision, it enables concurrent modulation of interconnected neural circuits rather than isolated cortical nodes.

Energy Efficiency and Field Attenuation

The DC coil achieves its depth profile with 62% lower pulse energy than equivalently sized H-coils2. Finite-element simulations reveal its surface electric field peaks at 120 V/m versus 180 V/m for H-coils, distributing current density over a 30% larger scalp area2. This energy profile allows DC coils to operate at 55–70% maximum stimulator output while maintaining therapeutic field strengths at depth, avoiding the need for specialized high-output devices required by H-coils2.

Clinical Performance Implications

Depression: Network-Level Engagement

Major depressive disorder involves dysregulation across dorsomedial prefrontal (DMPFC)-anterior cingulate (ACC)-orbitofrontal (OFC) circuits. The DC coil’s 3.4 cm diameter stimulation hotspot (±1.2 cm placement tolerance) engages both dorsal ACC (cognitive control) and subgenual ACC (emotional processing) simultaneously23. In a multicenter trial, DMPFC-targeted DC protocols achieved 47% remission rates—comparable to H-coils—but with 32% fewer headaches due to reduced perivascular nerve activation2.

Motor Rehabilitation: Bilateral Integration

Post-stroke motor recovery benefits from the DC coil’s bilateral field spread. Intermittent theta burst stimulation (iTBS) over the primary motor cortex (M1) improves Fugl-Meyer scores by 18.7 points versus 12.3 for H-coil iTBS, likely through enhanced interhemispheric inhibition balancing2. The broader field co-activates ipsilesional M1 and contralesional premotor areas—a feat unachievable with narrowly focused coils3.

Obsessive-Compulsive Disorder: Circuit Redundancy

For medial prefrontal-striatal targets, the DC coil’s S₁/₂ of 5.2 cm² ensures concurrent OFC and dorsal caudate stimulation. This dual pathway engagement produces 42% Y-BOCS reductions versus 38% for H-coils, addressing both habit formation (OFC-striatum) and error monitoring (ACC) circuits2.

Safety and Tolerability Tradeoffs

Reduced Scalp Surface Fields

By distributing current over a 30% larger area, DC coils limit peak scalp electric fields to 120 V/m versus 180 V/m for H-coils2. This lowers risks of:

1. Cranial nerve activation: Facial twitching incidence drops from 15% (H-coils) to 5%2
2. Thermal discomfort: Scalp temperature rise remains ≤1.5°C versus ≤2.8°C for H-coils at 100% output1
3. Seizure risk: Lower resting motor thresholds (RMTs) enable therapeutic effects at 55% output versus 90% for H-coils2

Depth-Calibrated Intensity Limits

The DC coil’s RMT for leg motor areas (39.7% maximum output) necessitates protocol adjustments when transitioning from figure-8 coils (57.9% RMT)3. Unmodified intensity settings could deliver suprathreshold pulses up to 150% of device capacity, violating safety guidelines for superficial field strength2. Current recommendations cap DC coil output at 60% maximum when targeting 4 cm depths2.

Technical Implementation Advantages

Simplified Neuronavigation

MRI-guided electric field modeling shows DC coils maintain >80% target engagement with ±1.2 cm placement offsets2. This tolerance accommodates anatomical variability in ACC position (typically ±0.8 cm across individuals), reducing neuronavigation setup time by 40% compared to H-coil protocols3.

Hardware Compatibility

Standard TMS devices (e.g., MagPro X100) can drive DC coils at therapeutic intensities (55–70% output) versus requiring specialized 100% output systems for H-coils2. This compatibility lowers adoption costs by $45,000–$60,000 per unit compared to H-coil platforms1.

Limitations and Mitigation Strategies

Off-Target Network Modulation

The DC coil’s 38 cm³ V₁/₂ risks stimulating default mode network nodes adjacent to DMPFC targets. Solutions include:

1. Concurrent fMRI navigation: Real-time field modeling adjusts coil angle to minimize posterior cingulate engagement
2. Burst frequency tuning: 20 Hz protocols preferentially activate cortical over subcortical circuits3

Reduced Focality in Focal Epilepsy

For neocortical seizure foci <3 cm², DC coils exhibit 22% lower response rates than figure-8 coils due to field dilution1. Hybrid protocols using initial DC priming (5 Hz) followed by focal figure-8 stimulation (1 Hz) improve outcomes by 37%3.

Conclusion

The DC coil’s deliberate focality tradeoff creates a unique therapeutic niche—balancing moderate depth (4–5 cm) with broad network modulation. While unsuitable for millimeter-scale precision, its distributed field profile enables efficient engagement of depression, OCD, and motor recovery circuits that benefit from multi-node stimulation. Future coil arrays may combine DC-like depth penetration with dynamic focality control through phased winding activation.

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