Kích thích từ của mô thần kinh
Chương 12 đã chỉ ra rằng nguồn gốc của từ trường sinh học là từ hoạt động điện của các mô sinh học. Hoạt động điện sinh học này tạo ra một dòng điện trong khối vật dẫn (bộ dẫn khối), dòng điện này tạo ra từ trường sinh học. Tương quan giữa ...
Chương 12 đã chỉ ra rằng nguồn gốc của từ trường sinh học là từ hoạt động điện của các mô sinh học. Hoạt động điện sinh học này tạo ra một dòng điện trong khối vật dẫn (bộ dẫn khối), dòng điện này tạo ra từ trường sinh học. Tương quan giữa các hiện tượng điện sinh học và từ sinh học, tất nhiên, không hạn chế đến sự phát sinh của điện và từ trường sinh học bởi những nguồn điện sinh học giống nhau. Tương quan này cũng nẩy sinh trong quá trình kích thích mô sinh học.
kích thích từ là phương pháp kích thích các mô (dễ bị kích thích) bằng một dòng điện được sinh ra bởi từ trường ngoài biến thiên theo thời gian. Ở đây cần chú ý rằng, trong sự phát sinh điện và từ từ các hoạt động điện của mô, cả hai phương pháp kích thích điện và từ đều kích thích tế bào bằng dòng điện. Kích thích điện được thực hiện trực tiếp, còn kích thích từ thực hiện gián tiếp nhờ dòng điện cảm ứng được sinh ra trong khối vật dẫn bởi từ trường biến thiên theo thời gian.
Lý do sử dụng từ trường biến thiên theo thời gian để tạo ra dòng điện kích thích vì, một mặt, do sự phân bố khác nhau của dòng kích thích, mặt khác, trên trực tế từ trường không bị suy giảm khi đi qua các vùng cách điện như vỏ hộp sọ. Điều này giúp tránh được dòng kích thích có mật độ cao ở vùng da đầu khi tiến hành kích thích hệ thần kinh trung ương nhờ đó tránh được cảm giác đau đớn. Phương pháp kích thích từ cũng không yêu cầu bất cứ tiếp xúc vật lý nào giữa cuộn dây kích thích và mô được kích thích, điều này không giống với phương pháp kích thích bằng điện.
Tài liệu đầu tiên về kích thích từ trường mô tả việc kích thích võng mạc của Jacques d'Arsonval (1896) và Silvanus P. Thompson (1910). Võng mạc được biết đến như là một cơ quan rất nhạy cảm với những kích thích bởi dòng điện cảm ứng, và từ trường có cường độ thấp, khoảng 10mT hiệu dụng tại tần số 20Hz sẽ tạo ra một kích thích. (Lövsund, Öberg, and Nilsson, 1980).
Từ những nghiên cứu tiên phong của d'Arsonval và Thompson đã mất một thời gian để phương pháp kích thích từ trường được ứng dụng vào kích thích thần kinh cơ. Năm 1965, Bickford và Fremming đã sử dụng một từ trường suy giảm hình sin tần số 500Hz để kích thích cơ động vật và cơ người. Kích thích từ mô thần kinh cũng được Öberg tiến hành vào năm 1973. Năm 1982, lần đầu tiên Polson, Barker và Freeston đã thực hiên thành công kích thích từ lên bề mặt sợi dây thần kinh.
Kích thích thần kinh vận động ở vỏ não xuyên qua vỏ hộp sọ thực sự là một ứng dụng thú vị của kích thích từ trường vì từ trường (không giống như dòng điện), nó truyền qua hộp sọ mà không bị suy giảm. Kích thích hệ thần kinh trung ương qua vỏ hộp sọ được thực hiện thành công lần đầu tiên vào năm 1985 (Barker và Freeston, 1985; Barker, Freeston, Jalinous, Merton, và Morton, 1985; Barker, Jalinous, và Freeston, 1985). Lịch sử đầy đủ hơn của phương pháp kích thích từ trường có thể tìm thấy trong bài báo của Geddes (1991).
Mỗi bộ kích thích từ trường bao gồm một cuộn dây đặt trên bề mặt da. Để tạo ra dòng điện dưới mô cần phài tạo ra một từ trường biến đổi mạnh và nhanh trong cuộn dây. Trong thực hành, nó được tạo ra bời quá trình nạp của một tụ điện lớn tới một điện áp cao rồi phóng điện qua cuộn dây dùng một chuyển mạch thyixto. Nguyên lý của bộ kích thích từ được minh họa trong hình 22.1.
mạch nguyên lý bộ kích từ
Theo định luật Faraday-Henry, nếu một vật dẫn điện được đặt trong từ trường biến thiên theo thời gian có từ thông F (magnetic flux), tạo thành một mạch kín, thì một dòng điện sẽ được sinh ra trong mạch. Dòng này tạo bởi một sức điện động (electromotive force (emf)) được sinh ra bởi từ thông biến đổi theo thời gian. Cường độ của emf phụ thuộc vào tốc độ biến thiên từ thông dF/dt. Emf có hướng sao cho từ trường biến thiên theo thời gian do nó sinh ra luôn chống lại sự biến thiên dF/dt, vì vậy:
Trong đó
Tương ứng với từ trường là từ thông , quan hệ giữa hai đại lượng này cho bởi công thức:
Ở đây tích phân được lấy trên toàn bộ bề mặt giới hạn bởi mạch kín.
Nếu từ thông được tạo ta bởi dòng điện trong cuộn dây thì nó được xác định bởi:
F = LI
Trong đó L là cảm kháng (inductance) của cuộn dây.
Khi đó: 
Trong đó
L = điện cảm của cuộn dây [H =Wb/A = Vs/A]
I = dòng điện trong cuộn dây [A]
Từ trường của sức điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên dòng điện, dI/dt. Hệ số tỷ lệ này bằng điện cảm L của cuộn dây. Giá trị dI/dt phụ thuộc vào tốc độ phóng điện của tụ. Để tăng tốc độ này người ta sử dụng một chuyển mạch nhanh (như fast thyristor) và rút ngắn tối đa độ dài dây dẫn. Điện cảm L được xác định bởi thuộc tính hình học và cấu trúc môi trường. Những nhân tố quyết định đến hệ thống cuộn dây là hình dạng cuộn dây, số vòng của cuộn dây và độ từ thẩm (permeability) của lõi. Đối với những cuộn dây sử dụng trong kích thích từ sinh lý, điện cảm có thể tính theo các công thức sau:
Cuộn dây đa lớp hình trụ:
trong đó
L = điện cảm của cuộn dây [H]
µ = từ thẩm của lõi cuộn dây [Vs/Am]
N = số vòng của cuộn dây
r = bán kính của cuộn dây [m]
l = chiều dài cuộn day[m]
s = chiều rộng [m]
Ví dụ sau (hình 22.2a) đưa ra các thông số điện của một cuộn dây đa lớp hình trụ (Rossi v.v...., 1987): Một cuộn dây gồm 19 vòng dây đồng thiết diện 2.5mm2 quận thành 3 lớp có các kích thước như sau: r = 18 mm, l = 22 mm và s = 6 mm. Khi đó điện trở và điện cảm của cuộn dây đo được tương ứng là 14mΩ và 169 µH.
cuộn dây đa lớp hình trụ
Cuộn dây đa lớp hình đĩa phẳng:
Trong đó các đại lượng N, r và s tương tự như ở trên.
Ví dụ sau (hình 22.2b) đưa ra các thông số điện của một cuộn dây đa lớp hình đĩa phẳng: Một cuộn dây gồm 10 vòng dây đồng thiết diện 2.5 mm2 quấn thành hình đĩa có các kích thước như sau: r = 25mm, s = 36mm. Khi đó điện trở và điện cảm của cuộn dây đo được tương ứng là 10 mΩ và 9.67 µH.
cuộn dây đa lớp hình đĩa phẳng
Cuộn dây đơn lớp hình trụ dài:
Trong đó N, r và l giống như trên.
Ví dụ sau ( hình 22.2c) đưa ra các thông số của một cuộn dây đơn lớp hình trụ dài: cho một cuộn dây gổm 100 vòng dây đồng thiết diện 2.5 mm2 quấn thành hình trụ dài đơn lớp có các kích thước như sau: r = 4mm; l= 270mm. Khi đó điện cảm của cuộn dây đo được bằng 37 µH.
cuộn dây đơn lớp hình trụ dài
Độ từ thẩm của mô sinh học xấp xỉ bằng độ từ thẩm của chân không. Do đó các mô này không có ảnh hưởng nào đáng kể đến từ trường. Từ trường thay đổi nhanh của xung lực từ sinh ra ra dòng điện trong mô, dòng điện này tạo ra kích thích.
Theo định lý thuận nghịch, phân bố mật độ dòng của một bộ kích thích từ trường cũng giống như phân bố cảm ứng từ (sensitivity) của một bộ dò từ tính có cấu tạo tương tự. Phân bố mật độ dòng trong kích thích từ trường có thể tính toán bằng phương pháp được giới thiệu bởi Malmivuo (1976) sau đó áp dụng cho MEG (Malmivuo, 1980). Như đã đề cập trong mục 14.3, còn nhiều phương pháp khác để tính toán phân bố cảm ứng từ của MEG (detectors magnetoencephalogram : bộ dò từ tính). Các phương pháp này cho kết quả chính xác ngay cả trong những trường hợp có ít tính đối xứng vì vậy chúng phức tạp hơn và có ít minh họa hơn (Durand, Ferguson, và Dalbasti, 1992; Eaton, 1992; Esselle và Stuchly, 1992).
Cuộn dây đơn
Sự phân bố dòng của một cuộn dây đơn tạo ra một trường lưỡng cực đã được mô tả trong các mục 12.11 và 14.12 của cuốn sách này. Phân bố năng lượng kích thích có thể quan sát từ dạng của trường vecto trong hình 14.2 và không được nhắc lại ở đây. Hình 22.3 minh họa các đường đẳng cường độ (iso-intensity lines) và các vùng nửa cường độ cho một cuộn dây bán kính 50mm. Các khái niệm đường đẳng cường độ và vùng nửa cường độ tương tự với khái niệm đường đẳng cảm ứng từ (isosensitivity line) và vùng nửa độ lớn cảm ứng từ (half-sensitivity volume) đã được thảo luận trong mục 11.6.1. Như đã đề cập trong mục 12.3.3, do tính đối xứng trục nên các đường đẳng cường độ trùng với các đường sức từ trường (magnetic field lines). Độc giả có thể so sánh ảnh hưởng của bán kính cuộn dây lên phân bố dòng kích thích bằng cách so sánh hình 22.3 và 14.3
Minh họa từ trường của cuộn dây bán kính 50 mm. Khoàng cách từ cuộn dây đến da đầu là 10mm. Đường đẳng cường độ : đường đứt đoạn màu đen, đường biểu diễn dòng cảm ứng kích thích : đường liền nét màu xanh nước biển; vùng nửa cường độ : vùng màu xanh lá cây.
Cuộn dây dạng 4 cực
Các cuộn dây có thể thêm vào phần lõi làm bằng các chất có độ từ thẩm cao. Ưu điểm của nó là tạo ra được từ trường tốt hơn ở những vùng mong muốn. Cấu tạo hình chữ U của lõi từ thấm (permeable core) là kết quả của việc thiết kế ra nguồn từ trường 4 cực. Đối với nguồn từ trường 4 cực, trường dòng điện kích thích được tạo ra trong mô có dạng tuyến tính thay vì dạng đường cong như của cuộn dây đơn. Vì vậy trong một vài ứng dụng, phương pháp này cho kết quả kích thích tốt hơn. Tuy nhiên trường 4 cực suy giảm theo khoàng cách nhanh hơn so với trường của cuộn dây lưỡng cực. Do đó sử dụng cuộn dây lưỡng cực sẽ tốt hơn trong trường hợp kích thích những đối tượng nằm sâu trong mô.
Thí nghiệm đầu tiên với từ trường 4 cực được thực hiện bởi Rossi năm 1987. Phân bố trường dòng điện kích thích của mô hình gồm 8 cuộn dây được tính toán bởi Malmivuo (1987). Phương pháp này còn được áp dụng trong kích thích từ bởi nhiều nhà khoa học khác như Ueno, Tashiro, và Harada, 1988.
Phân bố cảm ứng từ của các cuộn dây lưỡng cực và từ kế 4 cực đã được thảo luận trong mục 14.2. Phân bố cảm ứng từ mô tả trong các hình 14.4 và 14.5 cũng được áp dụng tượng tự cho kích thích từ trường nên không được nhắc lại ở đây.
Bộ kích thích thí nghiệm được thiết kế bởi Irwin (1970) có cấu trúc đa tụ (multicapacitor) với điện dung 470 µF. Chúng được nạp tới điện áp 90-260 V và sau đó phóng điện qua cuộn kích nhờ một dãy gồm 8 thyistor. Kết quả là một xung từ trường có cường độ 0.1 – 0.2 T được tạo ra cách xa cuộn dây 5mm. Độ dài xung từ trường khoảng 150-300 µs. Ngày nay các bộ kích thích từ trong thương mại phát ra một năng lượng từ khoảng 500 J và thường sử dụng điện áp 3…5 kV để điều khiển cuộn dây. Từ trường đỉnh có giá trị đặc trưng là 2 T, thời gian lên (rise time) khoảng 100 µs, và giá trị đỉnh của dB/dt = 5×104 T/s. Năng lượng đòi hỏi để kích thích mô tỷ lệ với bình phương từ trường tương ứng. Theo định luật cảm ứng điện từ của Faraday, từ trường này tỷ lệ với tích cường độ điện trường và thời gian tồn tại cuả xung ( Irwin v.v...., 1970):
trong đó
W = năng lượng cần thiết để kích thích
B = mật độ thông lượng từ (magnetic flux density)
E = cường độ điện trường
t = thời gian tồn tại xung (pulse duration)
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của bộ kích từ tỷ lệ với căn bậc hai của năng lượng từ trường dự trữ trong cuộn dây khi dòng điện trong cuộn dây đạt giá trị cực đại. Một mô hình đơn giản của sợi trục thần kinh là xem mỗi nút thần kinh như một tụ rò (leaky capacitor) cái mà cần được nạp điện. Các phép đo với kích thích điện chỉ ra rằng hằng số thời gian của tụ rò là khoảng 150-300 µs. Vì vậy kích thích hiệu dụng của xung dòng điện (current pulse) lên nút sẽ ngắn hơn. Với một xung ngắn trong cuộn dây thì yêu cầu ít năng lượng hơn nhưng rõ ràng giới hạn cũng thấp hơn.
Kích thích thực tế của các mô bằng từ trường biến đổi theo thời gian là kết quả của dòng điện cảm ứng chảy qua màng. Nếu không có dòng điện cảm ứng này thì quá trình khử cực sẽ không xảy ra và kích thích không đem lại hiệu quả. Đáng tiếc là chỉ xét một trường hợp thì không thể đưa ra câu trả lời tổng quát cho câu hỏi này nhưng sẽ thuận lợi hơn khi nghiên cứu những hình dạng và cấu trúc đặc biệt. Ngày nay việc này được thực hiện cho một sợi dây thần kinh trong một môi trường đồng nhất với một cuộn dây kích thích có thiết diện phẳng song song với sợi trục (Roth và Basser, 1990). Trong mô hình được khảo sát bởi Roth và Basser, sợi dây thần kinh được giả thiết là không có vỏ myelin (unmyelinated), dài vô hạn và nằm trong môi trường vô hạn thuần nhất, màng được mô tả bởi phương trình Hodgkin-Huxley. Điện áp xuyên màng Vm thỏa mãn phương trình:
trong đó
Vm = Điện áp xuyên màng
λ/td> = hằng số không gian của màng
τ = hằng số thời gian của màng
x = hướng sợi trục
Ex = thành phần x của cường độ điện trườngτ
Có một điều thú vị là dẫn xuất theo hướng của từ trường (axial derivative) là lực phát động (driving force) cho một điện áp cảm ứng. Nếu xét trong một hệ đồng thì nhất ảnh hưởng của biên có thể bỏ qua, kích thích sẽ xuất hiện tại những vị trí mà sự biến đổi của dòng là lớn nhất chứ không phải cường độ dòng điện lớn nhất. Trong ví dụ sau được khảo sát bởi Roth và Basser, cuộn dây nằm trong mặt phẳng xy có tâm tại x= 0, y= 0, sợi trục song song với trục x tại y =2.5 cm và z=1.0 cm. Cuộn dây có bán kính 2.5 cm gồm 30 vòng dây quấn từ một sợi dây có bán kính 1.0 mm. Cuộn dây đặt cách sợi trục 1.0 cm, là một phần của mạch RLC; và sự biến thiên theo thời gian là kết quả của bước điện áp đầu vào.( voltage step input.) Giả thiết C = 200 µF và r = 3.0 Ω, thì kết quả thu được là dòng điện dạng sóng suy giảm mạnh. Những kết quả kích thích cho thấy kích thích tại vị trí x = 2.0 cm ( hoặc – 2.0 cm , tùy vào hướng từ trường) sẽ tương ứng với vị trí cực đại của Ex / x. Điện áp ngưỡng dùng trong kích thích được xác định là 30 V. ( kết quả này trong trường hợp dòng điện đỉnh của cuộn dây là 10 A). Những điều kiện này là có thể thực hiện được.
Thời gian lên (risetime) ảnh hưởng đến hiệu quả kích thích về mặt số lượng. (Barker, Freeston, và Garnham, 1990; Barker, Garnham, Freeston, 1991). Bộ kích thích thời gian xác lên ngắn (< 60 µs) chỉ cần một nửa năng lượng dự trữ so với bộ kích thích thời gian lên dài (> 80 µs). Việc sử dụng tử trường có thời gian lên thay đổi cho phép đo được hằng số thời gian của màng và còn cho biết nhiều thông tin hữu ích khác.
Kích thích từ trường có thể ứng dụng trong kích thích thần kinh trung ương cũng như ngoại biên. Ưu điểm chính cuả kích thích bằng từ trường là mật độ dòng kích thích không bị tập trung trên da giống như kích thích bằng dòng điện đồng thời phân bố dòng trong mô lại đều hơn. Đó chính là điều đặc biệt trong kích thích bộ não bằng từ trường xuyên qua hộp sọ, ở đây điện trở suất cao của hộp sọ không có bất cứ ảnh hưởng nào đến phân bố dòng kích thích. Vì vậy phương pháp này không gây ra cảm giác đau đớn ở da, không giống với kích thích thần kinh vận động ở vỏ não sử dụng điện cực gắn trên da đầu (Mills, Murray, và Hess,1986; 1988; Rimpiläinen et al., 1990, 1991). Một ưu điểm khác của phương pháp kích thích bằng từ trường là bộ kích thích không tiếp xúc trực tiếp với da. Đây là một thuận lợi trong môi trường phòng mổ vô trùng. Như đã đề cập đến ở đầu chương, những tài liệu đầu tiên về ứng dụng lâm sang của kích thích từ trường được công bố năm 1985. Ngày nay các bộ kích thích từ trường sử dụng trong ứng dụng lâm sàng được chế tạo bởi một vài nhà sản xuất. Có thể dự đoán rằng kích thích từ trường sẽ có những ứng dụng đặc biệt trong việc kích thích các vùng của vỏ não, vì phương pháp kích thích bằng điện rất khó tạo ra được dòng kích thích có phân bố mật độ tập trung trong các vùng của vỏ não mặt khác kích thích bằng từ giúp tránh được dòng mật độ cao trên da đầu.
