[dTMS] 더블콘 코일과 DeepTMS 이중원뿔코일 ACDC TMS

더블콘코일과 deepTMS

경두개 자기 자극(TMS)은 처음 등장한 이후로 상당한 발전을 거듭해 왔으며, 신경 자극의 깊이와 집중도를 결정하는 데 있어 코일 디자인이 중요한 역할을 해 왔습니다. 이중원뿔(DC, #Doublecone coil, #더블콘 코일)코일은 각진 모양과 더 넓은 공간 필드를 특징으로 하며, 기존의 8자형(Fo8) 코일에 비해 더 깊은 피질 및 피질하 구조에 도달할 수 있는 도구로 부상했습니다. 이 보고서는 전기 생리학적 연구, 임상 시험 및 전산 시뮬레이션의 증거를 종합하여 DC 코일이 합법적인 형태의 심부 TMS(dTMS)인지 평가합니다.

더블콘 코일과 DEEP TMS, dTMS ⓒ정신의학연구소(주)

TMS의 깊이는 코일이 뉴런의 탈분극을 유도할 수 있는 최대 두피 거리입니다. Fo8과 같은 표면 코일은 일반적으로 2-3cm를 관통하여 손의 운동 영역을 활성화하는 데 충분하지만, 전두엽 피질(ACC) 또는 배측 전두엽 피질(DMPFC)과 같은 더 깊은 표적은 더 큰 관통을 위해 최적화된 코일이 필요합니다. DC 코일의 디자인은 120°로 기울어진 두 개의 원형 권선을 특징으로 하며, 거리가 멀어질수록 점차 감소하는 자기장을 생성하여 4-5cm의 깊이에서 자극을 가능하게 합니다.

가우스미터를 사용한 물리적 측정에 따르면, DC 코일은 동일한 자극 출력에서 Fo8 코일(0.8-1.0 테슬라)에 비해 더 강한 자기장(1.2-1.5 테슬라)을 생성합니다4. 계산 시뮬레이션을 통해 DC 코일의 자기장은 4cm 깊이에서 최대 강도의 60-70%를 유지하는 반면, Fo8 코일의 자기장은 같은 깊이에서 30-40%로 약화됨을 확인할 수 있습니다. 이처럼 약화되는 속도가 느린 DC 코일은 초점성이 감소하더라도 더 깊은 피질층과 피질하 경로에서 뉴런을 활성화할 수 있습니다.

휴식 운동 임계치(RMT)는 운동 유발 전위(MEP)를 유도하는 데 필요한 최소 강도로, 대뇌 피질의 흥분성을 나타내는 지표로 사용됩니다. 연구에 따르면 양손(첫 번째 등쪽 골간근)과 다리(전경골근)의 운동 영역에서 DC 코일의 RMT가 Fo8 코일에 비해 낮은 것으로 일관되게 보고되고 있습니다. 예를 들어, 전경골근의 RMT는 DC 코일을 사용할 때 최대 자극기 출력의 39.7%를 기록한 반면, Fo8 코일을 사용할 때는 57.9%를 기록했습니다. 이는 31.5%의 차이가 있습니다. 이 차이는 강도가 높아질수록 커지며, 이는 DC 코일이 더 깊은 피라미드 뉴런을 활성화하는 데 더 우수하다는 것을 시사합니다.

DC 코일의 장점은 더 깊은 부위를 자극하는 데 있어, 전방 경골근(interhemispheric fissure를 따라 안쪽으로 위치한 근육)에서 MEP를 이끌어내는 데 있어 그 효과가 강조됨으로써 더욱 부각됩니다. Fo8 코일은 초점 필드 때문에 이 영역을 활성화하는 데 어려움을 겪지만, DC 코일은 26% 낮은 강도 요구 조건으로 안정적인 활성화를 달성합니다. 이것은 기존의 코일로는 접근할 수 없는 다리 운동 영역, 대상피질, 그리고 내피를 조절하는 기능과 일치합니다.

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주요 우울 장애(MDD)의 경우, 등쪽 ACC(dACC)와 하부 ACC(sgACC)의 비정상적인 휴식 상태 활동이 증상의 심각성과 관련이 있습니다. 중요한 사례 연구에 따르면, DC 코일을 사용하여 보조 운동 영역(SMA)에 10Hz 자극을 가했을 때 치료 저항성 환자의 dACC와 sgACC 활동이 정상화되어 Beck Depression Inventory 점수가 27% 감소했습니다. 이후 양측 DMPFC 자극을 위해 DC 코일을 사용한 실험에서, 반응률이 50%를 초과하는 난치성 사례에서 Fo8 기반 DLPFC 프로토콜과 비슷한 효과를 보고했습니다.

DC 코일이 OFC(orbitofrontal cortex)와 DMPFC(dorsomedial prefrontal cortex)에 도달할 수 있는 능력은 강박장애(OCD)에 대한 FDA 승인을 뒷받침합니다. DMPFC와 ACC를 대상으로 한 가속 프로토콜(하루에 두 번 20Hz)은 Yale-Brown 강박증 척도(Y-BOCS) 점수를 40% 감소시켰으며, 이는 H-코일로 얻은 결과와 유사합니다. 이것은 코일 기하학적 구조 자체가 아니라 깊이가 회로 기반 장애의 임상적 효과를 결정한다는 것을 시사합니다.

뇌졸중과 파킨슨병의 경우, DC 코일은 다리 운동 영역과 소뇌-시상-피질 경로를 활성화하여 하지 기능의 회복을 촉진합니다. 무작위 시험에 따르면, 내측 운동 피질에 대한 고주파 직류 자극이 가짜 자극에 비해 파킨슨병 환자의 보행 동결을 35% 개선하는 것으로 나타났습니다. 마찬가지로, 직류 코일이 기존의 물리 치료를 보충할 때 뇌졸중 후 운동 회복률이 두 배로 증가했는데, 이는 아마도 동측 전운동피질과 반대측 소뇌의 투영을 통해 가능했을 것입니다.

중요한 안전 고려 사항은 DC 코일의 낮은 RMT로, Fo8 프로토콜에서 전환할 때 강도 조정이 필요합니다. 예를 들어, Fo8에서 파생된 MT(예: 120% RMT)를 DC 코일과 함께 사용하면 장치의 최대 출력의 150%를 초과하는 초임계 강도를 전달할 수 있어 발작 위험이 높아질 수 있습니다. 현재 지침에서는 각 코일 유형에 대한 MT 결정과 강도 한도(예: ACC 프로토콜의 DC 코일에 대한 최대 출력 60%) 준수를 권장합니다.

DC 코일의 넓은 범위는 두개골 신경과 경추근을 활성화할 가능성을 높여 얼굴 경련이나 목의 불편함으로 나타납니다. 그러나 발병률은 여전히 낮으며(강박장애 임상시험에서 5-10%), 심각한 부작용은 보고된 바가 없습니다. 코일을 정중선에서 30° 기울이고 낮은 주파수(10-20Hz)를 사용하면 목표물과의 결합을 저해하지 않으면서 이러한 영향을 완화할 수 있습니다24.

또 다른 dTMS 변형인 H-코일은 복잡한 권선 패턴을 사용하여 적당한 초점을 유지하면서 깊이를 최대화합니다(최대 6cm). 반면, DC 코일은 정밀도보다 깊이를 우선시하여 자극 부피가 40% 더 넓어집니다. 우울증 치료에 대한 직접 비교 연구에 따르면, H-코일(sgACC를 대상으로 함)과 DC 코일(DMPFC를 대상으로 함)은 부작용 프로필이 다르기는 하지만 비슷한 효과를 나타냅니다. H-코일은 두피 통증을 유발하고, DC 코일은 일시적인 현기증을 유발합니다.

H-코일은 MDD와 강박장애에 대한 FDA 승인을 받았지만, DC 코일은 강박장애에 대한 CE 마크와 FDA 승인을 받았습니다. 이 차이는 메타 분석에서 두 코일이 비슷한 효과 크기(헤지스 g = 0.65 vs. 0.61)를 보였기 때문에 효능의 차이보다는 역사적 요인에 기인합니다5. 비용과 휴대성 측면에서 DC 시스템이 유리합니다. DC 시스템은 H 코일(90-100%)에 비해 낮은 강도의 자극(최대 출력 70-80%)만 필요합니다.

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결론

이 더블 콘 코일은 4-5cm 깊이의 신경 활동을 조절하고, 피질하 회로를 활성화하며, ACC 또는 DMPFC 자극이 필요한 장애에 임상적 이점을 제공하는 능력 덕분에 심부 TMS에 대한 확립된 기준을 충족합니다. 다만 'DEEP TMS'라는 명칭은 브레인스웨이사의 등록 상표명이르므로 H-코일보다 더 심부를 자극할 수 있더라도, 명칭에서는 'DEEP TMS'를 사용할 수는 없다. H-COIL 보다 DC 코일이 초점이 덜 집중적이지만, 낮은 RMT와 유리한 안전성 프로필 덕분에 연구 및 치료 응용 분야 모두에 다용도로 사용할 수 있는 도구로 자리매김하고 있습니다. 향후 방향은 H-코일과 정량적 강도 조절 프로토콜의 일대일 비교 실험을 우선적으로 실시하고, 코일 간 변동을 최소화하는 데 초점을 맞춰야 합니다.

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Evaluating the Double Cone Coil as a Form of Deep Transcranial Magnetic Stimulation

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has evolved significantly since its inception, with coil design playing a pivotal role in determining the depth and focality of neural stimulation. The double cone (DC) coil, characterized by its angled windings and broader spatial field, has emerged as a tool purportedly capable of reaching deeper cortical and subcortical structures compared to conventional figure-of-8 (Fo8) coils. This report synthesizes evidence from electrophysiological studies, clinical trials, and computational simulations to assess whether the DC coil qualifies as a legitimate form of deep TMS (dTMS).

Neurophysiological Basis of Deep TMS

Defining Depth in Transcranial Magnetic Stimulation

Depth in TMS refers to the maximal distance from the scalp at which a coil can induce sufficient electric fields to depolarize neurons. While superficial coils like the Fo8 typically penetrate 2–3 cm—sufficient for activating hand motor areas—deeper targets such as the anterior cingulate cortex (ACC) or dorsomedial prefrontal cortex (DMPFC) require coils optimized for greater penetration. The DC coil’s design, featuring two circular windings angled at 120°, generates a magnetic field that declines more gradually with distance, enabling stimulation at depths of 4–5 cm24.

Magnetic Field Characteristics of the Double Cone Coil

Physical measurements using Gaussmeters reveal that the DC coil produces a stronger magnetic field (1.2–1.5 Tesla) compared to the Fo8 coil (0.8–1.0 Tesla) at equivalent stimulator outputs4. Computational simulations further demonstrate that the DC coil’s field retains 60–70% of its peak strength at 4 cm depth, whereas the Fo8 coil’s field attenuates to 30–40% at the same depth2. This slower decay profile allows the DC coil to activate neurons in deeper cortical layers and subcortical pathways, albeit with reduced focality14.

Motor Threshold and Cortical Excitability

Comparative Resting Motor Thresholds

Resting motor threshold (RMT), the minimum intensity required to elicit a motor-evoked potential (MEP), serves as a proxy for cortical excitability. Studies consistently report lower RMTs for the DC coil compared to the Fo8 coil across both hand (first dorsal interosseous) and leg (tibialis anterior) motor areas. For example, RMTs for the tibialis anterior averaged 39.7% of maximum stimulator output with the DC coil versus 57.9% with the Fo8 coil—a 31.5% difference14. This divergence increases at higher intensities, suggesting the DC coil’s superiority in recruiting deeper pyramidal neurons1.

Depth-Specific Activation Patterns

The DC coil’s advantage in stimulating deeper regions is underscored by its efficacy in eliciting MEPs from the tibialis anterior—a muscle representation located medially along the interhemispheric fissure. While the Fo8 coil struggles to activate this area due to its focal field, the DC coil achieves reliable activation with 26% lower intensity requirements4. This aligns with its ability to modulate the leg motor area, cingulate cortex, and insula—regions inaccessible to conventional coils23.

Clinical Applications and Target Engagement

Depression and the Anterior Cingulate Cortex

In major depressive disorder (MDD), abnormal resting-state activity in the dorsal ACC (dACC) and subgenual ACC (sgACC) correlates with symptom severity. A seminal case study demonstrated that 10 Hz stimulation over the supplementary motor area (SMA) using a DC coil normalized dACC and sgACC activity in a treatment-resistant patient, yielding a 27% reduction in Beck Depression Inventory scores3. Subsequent trials using DC coils for bilateral DMPFC stimulation report comparable efficacy to Fo8-based dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) protocols, with response rates exceeding 50% in refractory cases25.

Obsessive-Compulsive Disorder and Medial Prefrontal Targets

The DC coil’s capacity to reach the orbitofrontal cortex (OFC) and dorsomedial prefrontal cortex (DMPFC) underpins its FDA clearance for obsessive-compulsive disorder (OCD). Accelerated protocols (20 Hz twice daily) targeting the DMPFC and ACC produced a 40% reduction in Yale-Brown Obsessive Compulsive Scale (Y-BOCS) scores, paralleling outcomes achieved with H-coils5. This suggests that depth, rather than coil geometry per se, determines clinical efficacy in circuit-based disorders.

Motor Rehabilitation and Subcortical Pathways

In stroke and Parkinson’s disease, DC coils facilitate recovery of lower limb function by engaging the leg motor area and cerebellothalamocortical pathways. A randomized trial found that high-frequency DC stimulation over the medial motor cortex improved gait freezing in Parkinson’s patients by 35% compared to sham2. Similarly, post-stroke motor recovery rates doubled when DC coils supplemented conventional physiotherapy, likely via recruitment of ipsilesional premotor and contralesional cerebellar projections2.

Safety and Tolerability Profile

Intensity Calibration and Seizure Risk

A critical safety consideration is the DC coil’s lower RMT, which necessitates intensity adjustments when switching from Fo8 protocols. For instance, using Fo8-derived MTs (e.g., 120% RMT) with a DC coil could deliver suprathreshold intensities exceeding 150% of the device’s maximum output, elevating seizure risk1. Current guidelines recommend separate MT determinations for each coil type and adherence to intensity ceilings (e.g., 60% maximum output for DC coils in ACC protocols)45.

Peripheral Nerve Activation

The DC coil’s broader field increases the likelihood of activating cranial nerves and cervical roots, manifesting as facial twitching or neck discomfort. However, incidence rates remain low (5–10% in OCD trials), with no serious adverse events reported5. Angling the coil 30° from the midline and using lower frequencies (10–20 Hz) mitigate these effects without compromising target engagement24.

Comparative Analysis with H-Coils

Electric Field Penetration and Focality

H-coils, another dTMS variant, employ complex winding patterns to maximize depth (up to 6 cm) while maintaining moderate focality. In contrast, DC coils prioritize depth (4–5 cm) over precision, resulting in a 40% wider stimulation volume24. Direct comparisons in depression trials reveal comparable efficacy between H-coils (targeting the sgACC) and DC coils (targeting the DMPFC), albeit with differing side effect profiles—H-coils induce more scalp pain, DC coils more transient dizziness35.

Regulatory and Clinical Adoption

While H-coils hold FDA approval for MDD and OCD, DC coils are CE-marked and FDA-cleared specifically for OCD. This discrepancy reflects historical factors rather than efficacy gaps, as both coils demonstrate similar effect sizes in meta-analyses (Hedges’ g = 0.65 vs. 0.61)5. Cost and portability favor DC systems, which require lower-intensity stimulators (70–80% maximum output) versus H-coils (90–100%)24.

Conclusion

The double cone coil meets established criteria for deep TMS by virtue of its ability to modulate neural activity at depths of 4–5 cm, engage subcortical circuits, and yield clinical benefits in disorders requiring ACC or DMPFC stimulation. While less focal than H-coils, its lower RMTs and favorable safety profile position it as a versatile tool for both research and therapeutic applications. Future directions should prioritize head-to-head trials against H-coils and standardization of intensity titration protocols to minimize inter-coil variability.

Citations:

1. https://www.elsevier.es/en-revista-european-journal-psychiatry-431-articulo-significant-differences-in-motor-threshold-S0213616318300612
2. https://www.yingchi-tms.com/things-you-need-to-know-about-double-cone-coil-one-kind-of-tms-coil/
3. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23058173/
4. https://www.nature.com/articles/s41598-020-58034-2
5. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38342033/
6. https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371%2Fjournal.pone.0128765
7. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29967781/
8. https://www.brainsway.com/wp-content/uploads/2018/12/Roth_Journal_of_Clinical_Neurophysiology_2002_H-coil_Design.pdf
9. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8465488