Optimal monophasic, asymmetric electric field pulses for selective transcranial magnetic stimulation (TMS) with minimised power and coil heating

📄 arXiv: 2510.10289v1 📥 PDF

作者: Ke Ma, Andrey Vlasov, Zeynep B. Simsek, Jinshui Zhang, Yiru Li, Boshuo Wang, David L. K. Murphy, Jessica Y. Choi, Maya E. Clinton, Noreen Bukhari-Parlakturk, Angel V. Peterchev, Stephan M. Goetz

分类: eess.SY, q-bio.NC

发布日期: 2025-10-11

备注: 31 pages, 8 figures

💡 一句话要点

优化非对称电场脉冲经颅磁刺激，实现能量效率与神经选择性双提升

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 经颅磁刺激 非对称电场脉冲 能量优化 神经选择性 线圈加热

📋 核心要点

  1. 传统单相TMS脉冲虽具方向选择性，但能量需求过高，导致线圈过热，限制了其应用。
  2. 论文提出一种优化框架，结合神经元模型约束和脉冲不对称性控制，寻找能量效率更高的脉冲波形。
  3. 实验表明，优化脉冲显著降低能量损耗和线圈加热，同时保持甚至增强了神经激活的方向选择性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种优化的非对称电场脉冲经颅磁刺激(TMS)方法，旨在降低能量损耗和线圈加热，同时保持神经激活的方向选择性。该方法通过结合神经元模型激活约束和灵活的脉冲不对称性控制，实现脉冲波形的优化。实验结果表明，与传统的单相脉冲和先前改进的单相等效脉冲相比，优化后的电场波形分别实现了高达92%和88%的能量损耗降低，从而显著减少了线圈加热。人体实验表明，优化后的脉冲在前后(AP)和后前(PA)方向上与单相脉冲具有相似的运动阈值，但能量损耗显著降低，尤其是在AP方向。此外，AP和PA方向之间存在显著的运动诱发电位(MEP)潜伏期差异((1.79 +/- 0.41) ms)，表明具有方向选择性。该框架成功地识别出高能效的非对称脉冲，用于方向选择性神经激活。这些脉冲能够实现选择性的快速重复TMS方案，降低功耗和线圈加热，并可能提高神经调控的精度和效力。

🔬 方法详解

问题定义：传统单相经颅磁刺激(TMS)脉冲虽然能够提供神经激活的方向选择性，但是需要消耗过多的能量，导致线圈过热，限制了重复刺激的频率和强度。之前的脉冲形状优化主要集中在对称脉冲或对传统波形的约束性修改上，未能实现能量效率和神经选择性的全面优化。

核心思路：本文的核心思路是通过优化非对称电场脉冲的形状，在满足神经元激活约束的前提下，最小化能量损耗。通过灵活控制脉冲的不对称性，可以更好地利用神经元的特性，实现更高效的神经激活。

技术框架：该优化框架主要包含以下几个阶段：1)建立神经元模型，用于模拟神经元对不同电场脉冲的响应；2)定义优化目标，即最小化能量损耗，同时满足神经元激活的约束条件；3)设计优化算法，寻找满足优化目标的电场脉冲波形；4)通过人体实验验证优化后的脉冲的有效性和安全性。

关键创新：该方法最重要的创新点在于，它能够灵活地优化非对称电场脉冲的形状，而不仅仅局限于对称脉冲或传统波形的修改。这种灵活性使得该方法能够找到能量效率更高的脉冲波形，同时保持甚至增强神经激活的方向选择性。与现有方法相比，该方法能够更有效地降低能量损耗和线圈加热。

关键设计：在优化过程中，需要仔细选择神经元模型，并根据具体的应用场景调整模型的参数。此外，还需要设计合适的优化算法，以有效地搜索最优的脉冲波形。优化目标通常包括能量损耗和神经元激活的约束条件。关键参数包括脉冲的幅值、持续时间和不对称性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，优化后的电场波形与传统单相脉冲相比，能量损耗分别降低了92%，线圈加热降低了88%。人体实验表明，优化后的脉冲在前后(AP)和后前(PA)方向上与单相脉冲具有相似的运动阈值，但能量损耗显著降低，尤其是在AP方向。此外，AP和PA方向之间存在显著的运动诱发电位(MEP)潜伏期差异((1.79 +/- 0.41) ms)，表明具有方向选择性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于需要高精度和高效率神经调控的领域，如精神疾病治疗、认知功能增强和运动康复。通过降低能量损耗和线圈加热，可以实现更高频率和更长时间的重复TMS，提高治疗效果。此外，方向选择性的增强可以提高神经调控的精度，减少对周围组织的刺激。

📄 摘要（原文）

Transcranial magnetic stimulation (TMS) with asymmetric electric field pulses, such as monophasic, offers directional selectivity for neural activation but requires excessive energy. Previous pulse shape optimisation has been limited to symmetric pulses or heavily constrained variations of conventional waveforms without achieving general optimality in energy efficiency or neural selectivity. We implemented an optimisation framework that incorporates neuron model activation constraints and flexible control of pulse asymmetry. The optimised electric field waveforms achieved up to 92 % and 88 % reduction in energy loss and thus coil heating respectively compared to conventional monophasic pulses and previously improved monophasic-equivalent pulses. In the human experiments, OUR pulses showed similar motor thresholds to monophasic pulses in both AP and PA directions with significantly lower energy loss, particularly in the AP direction. Moreover, there was a significant MEP latency difference of (1.79 +/- 0.41) ms between AP and PA direction with OUR pulses, which suggests directional selectivity. Our framework successfully identified highly energy-efficient asymmetric pulses for directionally-selective neural engagement. These pulses can enable selective rapid-rate repetitive TMS protocols with reduced power consumption and coil heating, with potential benefits for precision and potency of neuro-modulation.