Low-cost monophasic transcranial magnetic stimulator
本文介绍了一种低成本（约700美元）、开源的单相经颅磁刺激仪，该设备利用晶闸管驱动的电容放电和零电压开关（ZVS）充电电路来产生治疗级电场，同时结合了多种安全特性以及一种用于估算皮层刺激强度的算法。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
人类大脑是一个庞大的电信号网络，几十年来，科学家们一直试图寻找从颅外轻微扰动这些信号的方法，以了解大脑的工作原理或治疗抑郁症等疾病。实现这一目标的一种强有力的方法被称为经颅磁刺激。它的工作原理是产生一个短暂而强烈的磁场，该磁场可以穿透头骨而不接触头骨。这种磁场进而会在其下方的脑组织中感应出微小的电流，从而可以唤醒或抑制特定的神经元群。虽然这项技术已成为研究的标准工具，并被批准用于某些医疗状况的治疗，但生成这些磁脉冲的机器通常体积巨大、结构复杂且价格极其昂贵，成本往往高达数万美元。这种高昂的价格使得这项技术无法触及许多大学教学实验室、小型研究小组以及想要尝试新脑刺激方法的独立科学家。
麦吉尔大学的一个研究团队致力于通过建造一个成本仅为常规设备一小部分的可用版本来改变这种局面。他们制造了一个设备，能够提供与专业研究中使用的相同类型的磁脉冲，但他们使用任何人凭借基础电子技能都能购买到的通用现成零件构建了它。整个机器，包括放置在头部附近的专用线圈，造价约为700美元。研究人员不仅是组装了零件，他们还对设备进行了严格测试，以确保它能产生足以可能激活人类脑细胞的磁场。他们的工作证明，高功率脑刺激并不需要数百万美元的实验室预算，只要建造者具备正确的专业知识并尊重显著的安全风险。
这个新设备的核心是一个简单但强大的概念：存储大量的电能并通过线圈一次性释放。研究人员使用了一组电容器，这些组件就像水桶储存水一样储存电荷，来存储能量。他们将这些电容器充电至极高的电压，约为1,460伏特，使用的是由标准24伏电源和专用变压器构建的充电电路。一旦电容器充满，团队就会触发一个称为晶闸管的开关，在瞬间释放存储的能量。这股突然的电流流过一个定制绕制的“8”字形线圈，产生快速变化的磁场。这种特定的形状和脉冲的速度至关重要，因为它们决定了磁场如何与大脑相互作用。产生的脉冲持续时间约为90微秒，研究人员计算出这一持续时间足以有效刺激神经元。
鉴于该设备存储的能量如果处理不当可能会致命，安全性是设计中的首要考虑因素。团队构建了多层保护措施，以防止意外电击或不受控制的放电。机器被安置在一个透明塑料盒中，以便操作员在运行时观察内部情况，并且高压组件与控制电子设备之间设有物理和电气屏障。为了确保只有在安全时才能开启机器，他们安装了连锁装置，如果在打开盒子或没有第二人在场持有安全开关的情况下，会自动切断电源。他们还配备了一根末端带有金属钩的长绝缘棒，允许操作员从安全距离手动排掉电容器中剩余的能量，而无需打开盒子。这些措施旨在降低处理此类高电压和高电流时的风险，因为在脉冲发射的瞬间，电流可以达到超过5,000安培。
为了证明他们的自制机器确实有效，研究人员必须在不依赖昂贵商业传感器的情况下测量其产生的磁场。他们制造了一个小型、简单的感应线圈，并将其移动到主刺激线圈下的许多不同位置进行绘图。通过分析感应线圈中电压的变化，他们计算出了磁场变化的速率，这是决定刺激强度强弱的关键因素。他们的测量结果显示，在最大功率下，该设备产生的磁场变化率约为每微秒111安培。当他们将这些数据输入人体头部模拟程序时，结果表明，该设备可以在大脑中产生足以超过激活运动神经元平均阈值的电场。具体而言，模拟显示，该设备可以在后脑产生159伏特/米的电场，在侧脑产生196伏特/米的电场，这两者都远高于触发大脑反应所需的典型水平。
研究人员将他们的自制设备性能与商业机器的数据进行了对比，以确保其测量方法准确无误。他们发现，这种低成本的磁场测量方法非常可靠，其结果与商业机器报告的值相比，误差范围很小。这种验证使人们对该自制设备的表现充满信心。然而，作者谨慎地指出，这是一个研究原型，而非经过批准用于人类的医疗设备。他们强调，虽然该机器可以产生必要的能量，但尚未在人或动物身上进行测试，且缺乏临床治疗所需的临床验证。该设备旨在供理解高压电子技术并能遵循严格安全协议的受训研究人员使用。
该项目代表了向实现先进神经科学工具普及化迈出的重要一步。通过展示一个功能完备的高功率磁刺激器可以用几百美元的价格利用易于获取的组件构建出来，该团队为更多科学家实验脑刺激技术打开了大门。这项工作证明，该领域的准入门槛不仅仅在于物理学的复杂性，很大程度上在于设备的成本。虽然该设备尚未准备好用于临床，但它为研究人员研究不同脉冲形状和线圈设计如何影响大脑提供了一个强大的、低成本的平台，这可能导致我们在理解和治疗神经系统疾病方面取得新发现。这次成功的构建表明，只要具备精密的工程设计能力和对安全的承诺，现代神经科学的工具就可以进入更广泛的科学家群体视野。
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