Stimolazione Elettrica e Magnetica del Sistema Nervoso Centrale e Periferico: Modellizzazione dei Campi Generati e Interpretazione dei Dati: differenze tra le versioni

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Stimolazione Elettrica e Magnetica del Sistema Nervoso Centrale e Periferico: Modellizzazione dei Campi Generati e Interpretazione dei Dati

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Article by: Paolo Ravazzani· Gabriella Tognola· Marta Parazzini

Introduzione

La stimolazione magnetica del sistema nervoso centrale e periferico può ormai essere considerata un metodo comune in neurofisiologia clinica per valutare lo stato di conduzione delle vie efferenti motorie e dei nervi periferici. Introdotta a metà degli anni '80 come miglioramento rispetto alla stimolazione elettrica diretta, si basa sull'applicazione di campi magnetici rapidamente variabili e di alta intensità (fino a 2 T), che inducono un campo elettrico nei tessuti cerebrali e nervosi attraverso l'induzione elettromagnetica ^[1].

In breve tempo, questa tecnica si è diffusa ampiamente, diventando un eccellente strumento clinico per valutare la funzionalità delle vie efferenti motorie e diagnosticare disfunzioni del sistema nervoso centrale. Nonostante ciò, il livello di empirismo nell'intero metodo rimane significativo e molte aree di indagine rimangono aperte, sia nei campi tecnologico, neurofisiologico che clinico.

I primi studi scientifici che documentano il comportamento del campo elettrico indotto $E$ da diversi tipi di stimolatori sono apparsi in letteratura circa 10-15 anni fa, con lo sviluppo di numerosi modelli matematici, sia analitici che numerici ^[2].

Nonostante questi studi, i progressi tecnologici relativi al miglioramento e all'innovazione degli stimolatori e delle bobine di stimolazione sono stati scarsi e spesso limitati a cambiamenti nella forma delle bobine. Negli ultimi anni, i dispositivi di stimolazione non hanno visto progressi significativi. In particolare, ci sono stati pochi miglioramenti nel focalizzare e controllare il campo elettrico indotto, mentre solo i sistemi per la stimolazione rapida ripetitiva hanno visto alcune innovazioni.

La capacità di controllare la focalizzazione del campo elettrico indotto da un sistema di bobine amplierebbe notevolmente le aree di applicazione della stimolazione magnetica. Ad esempio, si potrebbe considerare il potenziale offerto dalla stimolazione dei centri nervosi responsabili del controllo dei muscoli respiratori (per i pazienti con lesioni del tratto discendente), studiare nuovi metodi di defibrillazione ventricolare e sviluppare tecniche di pacemaking temporaneo non invasivo.

Per queste interessanti prospettive di ricerca, è essenziale, oltre a ottimizzare la costruzione delle bobine e delle apparecchiature associate, cercare nuove configurazioni con maggiori capacità di focalizzazione del campo. Infatti,

la capacità di concentrare il campo elettrico indotto in regioni arbitrariamente piccole e, di conseguenza, di concentrare le correnti indotte in queste regioni, rimane un aspetto decisivo per un salto qualitativo nell'uso della stimolazione magnetica.

Questo contributo mira a fornire una breve panoramica dello stato attuale della stimolazione magnetica da una prospettiva metodologica e tecnologica e a introdurre e discutere alcuni approcci innovativi che potrebbero contribuire allo sviluppo futuro del metodo e al suo utilizzo in nuovi campi di applicazione.

Stimolazione Non Invasiva della Corteccia Motoria

Stimolazione Elettrica Transcranica

Negli ultimi 20 anni, i primi tentativi di stimolare la corteccia motoria sono stati realizzati attraverso la stimolazione elettrica. Nel 1980, Merton e Morton ^[3] svilupparono un metodo di stimolazione utilizzando due elettrodi posti sul cuoio capelluto, vicino all'area motoria. Questo metodo è chiamato bipolare perché vengono utilizzati solo due elettrodi: un anodo e un catodo. Un impulso di stimolo a gradino viene inviato all'anodo, con un tempo di salita molto rapido e livelli di tensione tra 800 e 1800 V, con una corrente all'elettrodo di circa 100 mA e una durata tra 10 e 50 μs.

A causa della natura non omogenea delle strutture della testa e dei tessuti cerebrali, la conduttività elettrica varia notevolmente da tessuto a tessuto. Parte della corrente è sufficiente a stimolare le strutture motorie bersaglio, ma la maggior parte di essa colpisce il cuoio capelluto, causando al soggetto una sensazione dolorosa quasi insopportabile. Questo è stato considerato il principale svantaggio di questo metodo e la ragione principale del suo uso limitato e del suo eventuale abbandono a metà degli anni '80.

Stimolazione Magnetica Transcranica

La stimolazione magnetica è un metodo che supera i principali svantaggi della stimolazione elettrica ed è ora considerato uno degli strumenti più ampiamente utilizzati in neurofisiologia clinica, in particolare per la diagnosi dei disturbi del sistema nervoso centrale e periferico. La caratteristica principale di questo metodo è la sua capacità di stimolare strutture nervose come la corteccia motoria o le radici nervose spinali in modo non invasivo e senza causare alcuna sensazione dolorosa al soggetto.

La stimolazione magnetica corticale, nella sua forma attuale, è stata proposta per la prima volta da Barker e collaboratori nel 1985, ^[1] che l'hanno realizzata utilizzando brevi impulsi magnetici monofasici con un'ampiezza di picco fino a 2 T, registrando poi la risposta motoria prodotta.

Stimolazione Magnetica Transcranica: Lo Stimolatore

Diagramma semplificato di un circuito stimolatore. I parametri tipici del circuito sono scelti come L = 20 μH e C = 100 μF.

La struttura tipica di un dispositivo di stimolazione consiste di due parti (Fig. 1):

un generatore di impulsi di corrente, che può produrre correnti di picco

superiore a 5 kA, e una bobina di stimolazione, attraverso la quale vengono generati impulsi magnetici forti, con valori di picco che raggiungono circa 2 T e durate di circa 300 μs. Un segnale di trigger controlla la scarica dell'energia immagazzinata nel condensatore nella bobina di stimolazione. L'impulso è controllato da un tiristore, che permette il passaggio di correnti elevate in pochi microsecondi, generando una corrente di scarica monofasica con corrente inversa minima. Inoltre, attraverso una piccola corrente di controllo che gestisce il suo commutamento, possono fluire correnti nell'ordine di diversi kA.

La corrente di scarica scorre attraverso la bobina di stimolazione, generando un campo magnetico variabile che, a sua volta, induce correnti di attivazione nei tessuti. Poiché gli avvolgimenti hanno una resistenza non trascurabile, la dissipazione di energia dovuta al riscaldamento per effetto Joule, con conseguente riscaldamento della bobina, diventa significativa.

Le correnti indotte all'interno del corpo umano, se di ampiezza e durata adeguate, possono stimolare il tessuto neuromuscolare in modo simile alla stimolazione elettrica. L'uso di correnti monofasiche riduce la dissipazione di calore nella bobina, il rumore associato alla sua rapida deformazione meccanica (suono di clic) e gli artefatti, aumentando così la precisione della stimolazione. Inoltre, l'impulso monofasico è più stabile e definito, permettendo una migliore interpretazione delle risposte (Fig. 2).

Stimolazione Ripetitiva

La stimolazione ripetitiva si basa sullo stesso principio della stimolazione magnetica classica (singolo impulso). Per ottenere alte frequenze di stimolazione (fino a 50 Hz), sono necessari condensatori più piccoli con tempi di carica e scarica più brevi rispetto alla stimolazione magnetica a singolo impulso. A tal fine, viene utilizzata una serie di condensatori attivati in sequenza da un microprocessore tramite un segnale di trigger, tutti scaricati nella stessa bobina di stimolazione. Una delle principali sfide in questo caso è la gestione del riscaldamento delle bobine dovuto al riscaldamento per effetto Joule. Questo impone limiti alla frequenza degli stimoli e alla durata durante la quale lo stimolo può essere mantenuto alla massima intensità.

Focalizzazione e Controllo dei Campi Indotti

La focalizzazione dei campi elettrici indotti all'interno dei tessuti biologici tramite stimolazione magnetica deve indubbiamente essere considerata uno degli aspetti prioritari nel miglioramento della tecnica. Qui, la focalizzazione si riferisce alla capacità di concentrare un campo elettrico efficace—un campo capace di stimolare tessuti eccitabili come il tessuto nervoso o muscolare—su una piccola regione. In pratica, focalizzare il campo elettrico indotto nella stimolazione corticale significa stimolare selettivamente un insieme di neuroni in modo che possano essere osservati effetti rilevabili sul sistema motorio, sul sistema sensoriale o sull'attività cognitiva.

Tuttavia, la complessità della struttura cerebrale e i numerosi contatti sinaptici lungo gli efferenti e

Le vie afferenti alla corteccia cerebrale non permettono una relazione lineare tra lo stimolo elettromagnetico e la risposta desiderata. Inoltre, le soglie di stimolazione di diversi gruppi di neuroni variano a seconda del tipo di neurone, della profondità dalla superficie corticale e dell'orientamento delle strutture nervose, rendendo sia l'intensità che la direzione del campo importanti. Inoltre, tentare di concentrare i campi elettrici indotti in una piccola regione del cervello produce campi a bassa intensità. Pertanto, focalizzare campi efficaci sembra essere un compromesso tra l'area in cui il campo supera una certa soglia e l'intensità massima del campo raggiungibile.

Un parametro simile ma distinto dalla focalizzazione è l'efficienza di stimolazione. Questo concetto è più legato alle considerazioni energetiche per le bobine di stimolazione, nel senso di determinare l'energia minima richiesta per la stimolazione e quanto localizzato possa essere lo stimolo risultante. È concepibile che i futuri sviluppi della tecnica sintetizzeranno questi due obiettivi operativi e di progettazione, ma allo stato attuale, a causa della fisica fondamentale che sottende la stimolazione magnetica, si può affermare che focalizzare il campo elettrico in una regione specifica del corpo non equivale, almeno teoricamente, a minimizzare l'energia richiesta, cioè l'energia che deve essere immagazzinata nella bobina per generare l'impulso magnetico variabile nel tempo.

Infine, un ulteriore aspetto legato alla focalizzazione è la capacità di concentrare i campi in profondità e non solo su una regione superficiale. Per enfatizzare questo aspetto, ci riferiremo alla focalizzazione superficiale e alla focalizzazione profonda o volumetrica.

Una bobina di stimolazione è composta da uno o più avvolgimenti di rame ben isolati, insieme ad altri dispositivi elettronici come sensori di temperatura e interruttori di sicurezza ^[4]. Le bobine circolari sono il design più semplice e diretto, e fino ad oggi, sono le più comunemente utilizzate per stimolare il sistema nervoso centrale (SNC) o le radici nervose spinali. In neurologia clinica, il SNC viene stimolato con una bobina circolare di diametro relativamente grande, e la posizione e l'angolo della bobina rispetto alla testa del soggetto vengono regolati per ottenere la risposta motoria desiderata.

L'espressione per il campo elettrico indotto all'interno di un mezzo sferico ha la seguente forma:

$E (x, y, z) = (\frac{d i (t)}{d t}) \cdot G (x, y, z)$ $(1)$

In pratica, il campo elettrico indotto $E$ è direttamente proporzionale alla derivata temporale della corrente nella bobina $i (t)$ e a un fattore spaziale $G (x, y, z)$ , che dipende dalle forme e dalle dimensioni dei mezzi e della bobina, dalle loro proprietà elettriche e dalla posizione relativa della bobina rispetto al punto in cui il campo viene calcolato $(x, y, z)$ . Il comportamento temporale di $E$ è quindi proporzionale solo

alla derivata temporale della corrente che passa attraverso la bobina, e quindi dipende dal tipo di impulso di corrente (ad esempio, monofasico o bifasico) fornito dallo stimolatore alla bobina (Fig. 2). Di conseguenza, lo studio della focalizzazione del campo è strettamente legato al fattore spaziale $G$ .

Consideriamo ora una bobina circolare posizionata tangenzialmente, in modo tale che un raggio di una sfera, che rappresenta idealmente la testa, coincida con l'asse della bobina. Il campo elettrico indotto (Fig. 3) è nullo lungo l'asse di simmetria della bobina e raggiunge il suo massimo appena sotto il bordo della bobina ^[5].

In pratica, è possibile ottenere un campo elettrico indotto massimo solo nelle regioni vicine al bordo della bobina. Inoltre, man mano che aumenta la profondità del piano di misurazione, il valore massimo del campo tende a diminuire e a diffondersi in cerchi sempre più ampi. Inoltre, per bobine circolari con raggi diversi, il valore massimo del campo si trova sempre a una distanza dall'asse approssimativamente uguale al raggio della bobina.

Nella pratica clinica, ci sono tre configurazioni comuni: i) bobina tangenziale al bordo (ET), ii) bobina longitudinale ortogonale (OL), e iii) due bobine a forma di farfalla adiacenti (BT). La capacità di focalizzazione può essere definita come: (2) che è il rapporto tra l'area interessata da valori di campo superiori alla metà del massimo campo elettrico indotto e l'area totale.

Sebbene la configurazione OL offra la migliore capacità di focalizzazione, la configurazione BT combina una buona focalizzazione con valori di campo sufficientemente alti da permettere una stimolazione facile. Il comportamento del campo e la capacità di focalizzazione sono influenzati anche dalla dimensione delle bobine utilizzate ^[6]. Inoltre, nella configurazione BT, le correnti nelle due bobine devono avere la stessa intensità e fluire in direzioni opposte. Questo è necessario per ottenere la massima intensità del campo nella regione in cui le due bobine si incontrano ^[7]. Il principale svantaggio pratico della configurazione BT è la limitata flessibilità angolare durante le sessioni di stimolazione corticale, principalmente a causa delle dimensioni maggiori di queste bobine rispetto a quelle circolari. Pertanto, quando il sito di stimolazione non è predeterminato o è

difficile da raggiungere, è preferibile una singola bobina più maneggevole.

Concentrazione del Volume

Uno dei principali svantaggi della stimolazione magnetica (SM) è la sua "capacità limitata" di concentrare le correnti indotte nei tessuti non superficiali rispetto alla stimolazione elettrica. Per "capacità limitata" si intende che, con i dispositivi attualmente disponibili, non è possibile concentrare esclusivamente una specifica distribuzione dei campi elettrici indotti nelle regioni interne per attivare le fibre nervose.

Il campo generato dalle configurazioni di bobine attuali diminuisce con l'aumentare della distanza dalla bobina. Per questo motivo, stimolare il tessuto profondo con un campo elettrico indotto $E$ comporta necessariamente la generazione di campi elettrici più grandi nei tessuti più superficiali tra la bobina e il punto stimolato. Inoltre, la capacità di concentrazione delle bobine diminuisce a maggiori profondità.^[7] Queste considerazioni significano che stimolare il tessuto cerebrale profondo porta all'attivazione di ampie aree della corteccia motoria, che controllano i muscoli di vaste regioni del corpo, risultando così in una stimolazione generalizzata e in risultati diagnostici di valore limitato.

Conclusioni

Concentrare e controllare i campi indotti all'interno dei tessuti biologici attraverso la stimolazione magnetica deve indubbiamente essere considerato un aspetto prioritario nel miglioramento della tecnica. Migliorare queste caratteristiche, insieme all'ottimizzazione delle apparecchiature per ridurre la potenza utilizzata, dovrebbe essere visto come un passo fondamentale per estendere la tecnica ad altre applicazioni biomediche.

Per quanto riguarda i dispositivi esistenti, la capacità di concentrazione fornita dalla doppia bobina (BF) sembra del tutto insufficiente per l'uso della tecnica nelle strutture nervose profonde, come le radici del nervo trigemino in gnatologia. ^[8] Una configurazione capace di ottenere, in determinate condizioni, la concentrazione del volume è quella proposta da Edrich e Zhang. ^[9] Consiste in due bobine mutuamente ortogonali che possono produrre l'effetto di concentrazione desiderato all'interno dei tessuti, a condizione che i raggi e le correnti siano selezionati appropriatamente. Sfruttando l'effetto di cancellazione superficiale reciproca dei campi indotti da ciascuna bobina, si possono ottenere massimi relativi in profondità, lungo particolari direzioni. In particolare, lungo l'asse verticale che passa attraverso il punto in cui le due bobine si incontrano, il campo indotto dalla bobina orizzontale annulla il campo generato dalla bobina verticale sulla superficie. In questo modo, il campo indotto raggiunge un massimo interno a una profondità di circa 3 cm dalla superficie della testa. Questo massimo è dovuto alla diversa distribuzione spaziale, all'interno del

sphere, del campo indotto dalla bobina orizzontale e di quello indotto dalla bobina verticale, che si combinano per produrre l'effetto di cancellazione superficiale e di focalizzazione volumetrica.

Per quanto riguarda il controllo del campo, negli ultimi anni è stata proposta una configurazione multibobina programmabile, che potrebbe rendere possibile la stimolazione selettiva di diverse strutture nervose attraverso metodi di ottimizzazione. In pratica, il campo desiderato (target) viene ottenuto ottimizzando analiticamente la corrente necessaria da inviare a ciascuna bobina in una matrice in modo che teoricamente venga generato un campo il più vicino possibile a quello desiderato.

Per quanto riguarda l'ottimizzazione dell'attrezzatura, finora la progettazione degli stimolatori ha generalmente trascurato alcune caratteristiche non ideali delle bobine. Uno studio e una progettazione più approfonditi dovrebbero considerare effetti elettromagnetici come l'effetto pelle e l'effetto di prossimità, che consentono un calcolo più accurato delle resistenze elettriche nello stimolatore e delle correnti necessarie conseguenti. Per quanto riguarda la riduzione delle correnti circolanti nelle bobine, Carbunaru e Durand ^[10] hanno recentemente proposto l'uso di una bobina avvolta in materiale ferromagnetico per la stimolazione periferica, ottenendo la stimolazione delle fibre nervose con correnti tre volte inferiori a quelle tipicamente richieste per la stimolazione magnetica.

Bibliography & references

↑ ^1,0 ^1,1 Barker, A.T., Jalinous, R., Freeston, I.L. Stimolazione magnetica non invasiva della corteccia motoria umana. Lancet, 1, 1106-1107, 1985.
↑ Nagarajan, S.S., Durand, D.M., Warman, E.N. Effetti dei campi elettrici indotti su strutture neuronali finite: uno studio di simulazione. IEEE Trans. Biomed. Eng., 40, 1175-1188, 1993.
↑ Merton PA, Morton HB.: Stimulation of the cerebral cortex in the intact human subject. Nature 1980 May 22;285(5762):227
↑ Jalinous, R., Technical and practical aspects of magnetic stimulation. J. Clin. Neurophysiol., 8, 10-25, 1991.
↑ Roth, B.J., Cohen, L.G., Hallett, M., Friauf, W., Basser, P.J. A theoretical calculation of the electric field induced by magnetic stimulation of a peripheral nerve. Muscle Nerve, 13, 734-741, 1990
↑ Ravazzani P., Ruohonen, J., Tognola, G., Grandori, F.: Magnetic stimulation of the nervous system. Comparison of the induced electric field computed in unbounded, semi-infinite, spherical and cylindrical media. Annals Biomed. Eng., 24, 1996, pp. 606-616.1996.
↑ ^7,0 ^7,1 Grandori, F., Ravazzani, P. Magnetic stimulation of the motor cortex. Theoretical considerations. IEEE Trans. Biomed. Eng., 38, 180-191, 1991.
↑ Frisardi G., Ravazzani P., Tognola G., Grandori F.: Stimolazione transcranica elettrica versus magnetica del sistema trigeminale in soggetti sani. Applicazioni cliniche in gnatologia. Journal of Oral Rehabilitation, 24, 1997, pp. 120-128.
↑ Edrich J, Zhang T.: Concentrazione neuromagnetica per la stimolazione transcranica selettiva dei muscoli. Biomed Sci Instrum 1997;34:153-156.
↑ Carbunaru R, Durand DM.: Toroidal coil models for transcutaneous magnetic stimulation of nerves. IEEE Trans Biomed Eng 2001 Apr;48(4):434-41

[:0-1] 1,0 ^1,1 Barker, A.T., Jalinous, R., Freeston, I.L. Stimolazione magnetica non invasiva della corteccia motoria umana. Lancet, 1, 1106-1107, 1985.

[2] Nagarajan, S.S., Durand, D.M., Warman, E.N. Effetti dei campi elettrici indotti su strutture neuronali finite: uno studio di simulazione. IEEE Trans. Biomed. Eng., 40, 1175-1188, 1993.

[3] Merton PA, Morton HB.: Stimulation of the cerebral cortex in the intact human subject. Nature 1980 May 22;285(5762):227

[4] Jalinous, R., Technical and practical aspects of magnetic stimulation. J. Clin. Neurophysiol., 8, 10-25, 1991.

[5] Roth, B.J., Cohen, L.G., Hallett, M., Friauf, W., Basser, P.J. A theoretical calculation of the electric field induced by magnetic stimulation of a peripheral nerve. Muscle Nerve, 13, 734-741, 1990

[6] Ravazzani P., Ruohonen, J., Tognola, G., Grandori, F.: Magnetic stimulation of the nervous system. Comparison of the induced electric field computed in unbounded, semi-infinite, spherical and cylindrical media. Annals Biomed. Eng., 24, 1996, pp. 606-616.1996.

[:1-7] 7,0 ^7,1 Grandori, F., Ravazzani, P. Magnetic stimulation of the motor cortex. Theoretical considerations. IEEE Trans. Biomed. Eng., 38, 180-191, 1991.

[8] Frisardi G., Ravazzani P., Tognola G., Grandori F.: Stimolazione transcranica elettrica versus magnetica del sistema trigeminale in soggetti sani. Applicazioni cliniche in gnatologia. Journal of Oral Rehabilitation, 24, 1997, pp. 120-128.

[9] Edrich J, Zhang T.: Concentrazione neuromagnetica per la stimolazione transcranica selettiva dei muscoli. Biomed Sci Instrum 1997;34:153-156.

[10] Carbunaru R, Durand DM.: Toroidal coil models for transcutaneous magnetic stimulation of nerves. IEEE Trans Biomed Eng 2001 Apr;48(4):434-41

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-== Introduction ==
+== Introduzione ==
-Magnetic stimulation of the central and peripheral nervous system can now be considered a common method in clinical neurophysiology for assessing the conduction status of motor efferent pathways and peripheral nerves. Introduced in the mid-1980s as an improvement over direct electrical stimulation, it is based on the application of rapidly changing and high-intensity magnetic fields (up to 2 T), which induce an electric field in brain and nerve tissues through electromagnetic induction <ref name=":0">Barker, A.T., Jalinous, R., Freeston, I.L. Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex. ''Lancet'', 1, 1106-1107, 1985.</ref>.
+La stimolazione magnetica del sistema nervoso centrale e periferico può ormai essere considerata un metodo comune in neurofisiologia clinica per valutare lo stato di conduzione delle vie efferenti motorie e dei nervi periferici. Introdotta a metà degli anni '80 come miglioramento rispetto alla stimolazione elettrica diretta, si basa sull'applicazione di campi magnetici rapidamente variabili e di alta intensità (fino a 2 T), che inducono un campo elettrico nei tessuti cerebrali e nervosi attraverso l'induzione elettromagnetica <ref name=":0">Barker, A.T., Jalinous, R., Freeston, I.L. Stimolazione magnetica non invasiva della corteccia motoria umana. ''Lancet'', 1, 1106-1107, 1985.</ref>.
-In a short time, this technique has spread widely, becoming an excellent clinical tool for evaluating the functionality of motor efferent pathways and diagnosing central nervous system dysfunctions. Despite this, the level of empiricism in the entire method remains significant, and many areas of investigation remain open, both in the technological, neurophysiological, and clinical fields.
+In breve tempo, questa tecnica si è diffusa ampiamente, diventando un eccellente strumento clinico per valutare la funzionalità delle vie efferenti motorie e diagnosticare disfunzioni del sistema nervoso centrale. Nonostante ciò, il livello di empirismo nell'intero metodo rimane significativo e molte aree di indagine rimangono aperte, sia nei campi tecnologico, neurofisiologico che clinico.
-The first scientific studies documenting the behavior of the induced electric field <math>E</math> by different types of stimulators appeared in the literature around 10-15 years ago, with the development of numerous mathematical models, both analytical and numerical <ref>Nagarajan, S.S., Durand, D.M., Warman, E.N. Effects of Induced Electric Fields on Finite Neuronal Structures: A simulation Study. ''IEEE Trans. Biomed. Eng''., 40, 1175-1188, 1993.</ref>.
+I primi studi scientifici che documentano il comportamento del campo elettrico indotto <math>E</math> da diversi tipi di stimolatori sono apparsi in letteratura circa 10-15 anni fa, con lo sviluppo di numerosi modelli matematici, sia analitici che numerici <ref>Nagarajan, S.S., Durand, D.M., Warman, E.N. Effetti dei campi elettrici indotti su strutture neuronali finite: uno studio di simulazione. ''IEEE Trans. Biomed. Eng''., 40, 1175-1188, 1993.</ref>.
-Despite these studies, technological progress related to the improvement and innovation of stimulators and stimulation coils has been scarce and often limited to changes in coil shape. In recent years, stimulation devices have not seen significant progress. In particular, there have been few improvements in focusing and controlling the induced electric field, while only systems for rapid repetitive stimulation have seen some innovations.
+Nonostante questi studi, i progressi tecnologici relativi al miglioramento e all'innovazione degli stimolatori e delle bobine di stimolazione sono stati scarsi e spesso limitati a cambiamenti nella forma delle bobine. Negli ultimi anni, i dispositivi di stimolazione non hanno visto progressi significativi. In particolare, ci sono stati pochi miglioramenti nel focalizzare e controllare il campo elettrico indotto, mentre solo i sistemi per la stimolazione rapida ripetitiva hanno visto alcune innovazioni.
-The ability to control the focusing of the induced electric field by a coil system would greatly expand the application areas of magnetic stimulation. For example, one could consider the potential offered by stimulating nerve centers responsible for controlling respiratory muscles (for patients with descending tract lesions), studying new methods of ventricular defibrillation, and developing non-invasive temporary pacemaking techniques.
+La capacità di controllare la focalizzazione del campo elettrico indotto da un sistema di bobine amplierebbe notevolmente le aree di applicazione della stimolazione magnetica. Ad esempio, si potrebbe considerare il potenziale offerto dalla stimolazione dei centri nervosi responsabili del controllo dei muscoli respiratori (per i pazienti con lesioni del tratto discendente), studiare nuovi metodi di defibrillazione ventricolare e sviluppare tecniche di pacemaking temporaneo non invasivo.
-For these interesting research prospects, it is essential, in addition to optimizing the construction of the coils and associated equipment, to search for new configurations with greater field focusing capabilities. In fact, the ability to focus the induced electric field in arbitrarily small regions, and consequently to concentrate induced currents in these regions, remains a decisive aspect for a qualitative leap in the use of magnetic stimulation.
+Per queste interessanti prospettive di ricerca, è essenziale, oltre a ottimizzare la costruzione delle bobine e delle apparecchiature associate, cercare nuove configurazioni con maggiori capacità di focalizzazione del campo. Infatti,
-This contribution aims to provide a brief overview of the current state of magnetic stimulation from a methodological and technological perspective and to introduce and discuss some innovative approaches that could contribute to the future development of the method and its use in new application fields.
+la capacità di concentrare il campo elettrico indotto in regioni arbitrariamente piccole e, di conseguenza, di concentrare le correnti indotte in queste regioni, rimane un aspetto decisivo per un salto qualitativo nell'uso della stimolazione magnetica.
-==Non-invasive Stimulation of the Motor Cortex==
+Questo contributo mira a fornire una breve panoramica dello stato attuale della stimolazione magnetica da una prospettiva metodologica e tecnologica e a introdurre e discutere alcuni approcci innovativi che potrebbero contribuire allo sviluppo futuro del metodo e al suo utilizzo in nuovi campi di applicazione.
-===Transcranial Electrical Stimulation===
+==Stimolazione Non Invasiva della Corteccia Motoria==
-In the past 20 years, the first attempts to stimulate the motor cortex were achieved through electrical stimulation. In 1980, Merton and Morton <ref>Merton PA, Morton HB.: Stimulation of the cerebral cortex in the intact human subject. ''Nature'' 1980 May 22;285(5762):227</ref> developed a stimulation method using two electrodes placed on the scalp, near the motor area. This method is called bipolar because only two electrodes are used: an anode and a cathode. A step stimulus pulse is sent to the anode, with a very rapid rise time and voltage levels between 800 and 1800 V, with a current at the electrode of around 100 mA and a duration between 10 and 50 μs.
+===Stimolazione Elettrica Transcranica===
-Due to the non-homogeneous nature of the head structures and brain tissues, electrical conductivity varies greatly from tissue to tissue. Some of the current is sufficient to stimulate the target motor structures, but most of it affects the scalp, causing the subject an almost unbearable painful sensation. This was considered the main disadvantage of this method and the primary reason for its limited use and eventual abandonment by the mid-1980s.
+Negli ultimi 20 anni, i primi tentativi di stimolare la corteccia motoria sono stati realizzati attraverso la stimolazione elettrica. Nel 1980, Merton e Morton <ref>Merton PA, Morton HB.: Stimulation of the cerebral cortex in the intact human subject. ''Nature'' 1980 May 22;285(5762):227</ref> svilupparono un metodo di stimolazione utilizzando due elettrodi posti sul cuoio capelluto, vicino all'area motoria. Questo metodo è chiamato bipolare perché vengono utilizzati solo due elettrodi: un anodo e un catodo. Un impulso di stimolo a gradino viene inviato all'anodo, con un tempo di salita molto rapido e livelli di tensione tra 800 e 1800 V, con una corrente all'elettrodo di circa 100 mA e una durata tra 10 e 50 μs.
-===Transcranial Magnetic Stimulation===
+A causa della natura non omogenea delle strutture della testa e dei tessuti cerebrali, la conduttività elettrica varia notevolmente da tessuto a tessuto. Parte della corrente è sufficiente a stimolare le strutture motorie bersaglio, ma la maggior parte di essa colpisce il cuoio capelluto, causando al soggetto una sensazione dolorosa quasi insopportabile. Questo è stato considerato il principale svantaggio di questo metodo e la ragione principale del suo uso limitato e del suo eventuale abbandono a metà degli anni '80.
-Magnetic stimulation is a method that overcomes the main drawbacks of electrical stimulation and is now considered one of the most widely used tools in clinical neurophysiology, particularly for diagnosing central and peripheral nervous system disorders. The main characteristic of this method is its ability to stimulate nerve structures such as the motor cortex or spinal nerve roots non-invasively and without causing any painful sensations to the subject.
+===Stimolazione Magnetica Transcranica===
-Cortical magnetic stimulation, in its current form, was first proposed by Barker and collaborators in 1985, <ref name=":0" /> who achieved it using short monophasic magnetic pulses with a peak amplitude of up to 2 T, then recording the motor response produced.[[File:Fig.1 (Ravazzani).jpg|thumb|'''Figure 1:''' Simplified diagram of a stimulator circuit. The typical circuit parameters are chosen as L = 20 μH and C = 100 μF.]]
+La stimolazione magnetica è un metodo che supera i principali svantaggi della stimolazione elettrica ed è ora considerato uno degli strumenti più ampiamente utilizzati in neurofisiologia clinica, in particolare per la diagnosi dei disturbi del sistema nervoso centrale e periferico. La caratteristica principale di questo metodo è la sua capacità di stimolare strutture nervose come la corteccia motoria o le radici nervose spinali in modo non invasivo e senza causare alcuna sensazione dolorosa al soggetto.
-===Transcranial Magnetic Stimulation: The Stimulator===
-Simplified diagram of a stimulator circuit. The typical circuit parameters are chosen as L = 20 μH and C = 100 μF.
-The typical structure of a stimulation device consists of two parts (Fig. 1):
+La stimolazione magnetica corticale, nella sua forma attuale, è stata proposta per la prima volta da Barker e collaboratori nel 1985, <ref name=":0" /> che l'hanno realizzata utilizzando brevi impulsi magnetici monofasici con un'ampiezza di picco fino a 2 T, registrando poi la risposta motoria prodotta.[[File:Fig.1 (Ravazzani).jpg|thumb|'''Figura 1:''' Diagramma semplificato di un circuito stimolatore. I parametri tipici del circuito sono scelti come L = 20 μH e C = 100 μF.]]
+===Stimolazione Magnetica Transcranica: Lo Stimolatore===
+Diagramma semplificato di un circuito stimolatore. I parametri tipici del circuito sono scelti come L = 20 μH e C = 100 μF.
-a current pulse generator, which can produce peak currents exceeding 5 kA, and a stimulation coil, through which strong magnetic pulses are generated, with peak values reaching around 2 T and durations of about 300 μs. A trigger signal controls the discharge of energy stored in the capacitor into the stimulation coil. The pulse is controlled by a thyristor, which allows high currents to pass through in just a few microseconds, generating a monophasic discharge current with minimal reverse current. Additionally, through a small control current that manages its switching, currents in the range of several kA can flow.
+La struttura tipica di un dispositivo di stimolazione consiste di due parti (Fig. 1):
-[[File:Figure 2 (Ravazzani).jpg|left|thumb|267x267px|'''Figure 2:''' Normalized electric field (on the right) induced by a monophasic or biphasic current pulse within the coil (on the left).]]
-The discharge current flows through the stimulation coil, generating a variable magnetic field that, in turn, induces activation currents within the tissues. Since the windings have a non-negligible resistance, energy dissipation due to Joule heating, with consequent coil heating, becomes significant.
-The induced currents within the human body, if of adequate amplitude and duration, can stimulate neuromuscular tissue similarly to electrical stimulation. The use of monophasic currents reduces heat dissipation in the coil, the noise associated with its rapid mechanical deformation (clicking sound), and artifacts, thereby increasing the accuracy of stimulation. Moreover, the monophasic pulse is more stable and defined, allowing for better interpretation of the responses (Fig. 2).
+un generatore di impulsi di corrente, che può produrre correnti di picco
+superiore a 5 kA, e una bobina di stimolazione, attraverso la quale vengono generati impulsi magnetici forti, con valori di picco che raggiungono circa 2 T e durate di circa 300 μs. Un segnale di trigger controlla la scarica dell'energia immagazzinata nel condensatore nella bobina di stimolazione. L'impulso è controllato da un tiristore, che permette il passaggio di correnti elevate in pochi microsecondi, generando una corrente di scarica monofasica con corrente inversa minima. Inoltre, attraverso una piccola corrente di controllo che gestisce il suo commutamento, possono fluire correnti nell'ordine di diversi kA.
+[[File:Figure 2 (Ravazzani).jpg|left|thumb|267x267px|'''Figura 2:''' Campo elettrico normalizzato (a destra) indotto da un impulso di corrente monofasico o bifasico all'interno della bobina (a sinistra).]]
+La corrente di scarica scorre attraverso la bobina di stimolazione, generando un campo magnetico variabile che, a sua volta, induce correnti di attivazione nei tessuti. Poiché gli avvolgimenti hanno una resistenza non trascurabile, la dissipazione di energia dovuta al riscaldamento per effetto Joule, con conseguente riscaldamento della bobina, diventa significativa.
+Le correnti indotte all'interno del corpo umano, se di ampiezza e durata adeguate, possono stimolare il tessuto neuromuscolare in modo simile alla stimolazione elettrica. L'uso di correnti monofasiche riduce la dissipazione di calore nella bobina, il rumore associato alla sua rapida deformazione meccanica (suono di clic) e gli artefatti, aumentando così la precisione della stimolazione. Inoltre, l'impulso monofasico è più stabile e definito, permettendo una migliore interpretazione delle risposte (Fig. 2).
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-===Repetitive Stimulation===
+===Stimolazione Ripetitiva===
-Repetitive stimulation is based on the same principle as classical magnetic stimulation (single pulse). To achieve high stimulation frequencies (up to 50 Hz), smaller capacitors with shorter charge and discharge times are required compared to single-pulse magnetic stimulation. For this purpose, a series of capacitors activated in sequence by a microprocessor through a trigger signal are used, all discharging into the same stimulation coil. One of the main challenges in this case is managing the heating of the coils due to Joule heating. This imposes limits on the frequency of the stimuli and the duration during which the stimulus can be maintained at maximum intensity.
+La stimolazione ripetitiva si basa sullo stesso principio della stimolazione magnetica classica (singolo impulso). Per ottenere alte frequenze di stimolazione (fino a 50 Hz), sono necessari condensatori più piccoli con tempi di carica e scarica più brevi rispetto alla stimolazione magnetica a singolo impulso. A tal fine, viene utilizzata una serie di condensatori attivati in sequenza da un microprocessore tramite un segnale di trigger, tutti scaricati nella stessa bobina di stimolazione. Una delle principali sfide in questo caso è la gestione del riscaldamento delle bobine dovuto al riscaldamento per effetto Joule. Questo impone limiti alla frequenza degli stimoli e alla durata durante la quale lo stimolo può essere mantenuto alla massima intensità.
-===Focusing and Control of Induced Fields===
+===Focalizzazione e Controllo dei Campi Indotti===
-Focusing the electric fields induced within biological tissues through magnetic stimulation must undoubtedly be considered one of the priority aspects in improving the technique. Here, focusing refers to the ability to concentrate an effective electric field—a field capable of stimulating excitable tissues such as nerve or muscle tissue—on a small region. In practice, focusing the induced electric field in cortical stimulation means selectively stimulating a set of neurons so that detectable effects on the motor system, sensory system, or cognitive activity can be observed.
+La focalizzazione dei campi elettrici indotti all'interno dei tessuti biologici tramite stimolazione magnetica deve indubbiamente essere considerata uno degli aspetti prioritari nel miglioramento della tecnica. Qui, la focalizzazione si riferisce alla capacità di concentrare un campo elettrico efficace—un campo capace di stimolare tessuti eccitabili come il tessuto nervoso o muscolare—su una piccola regione. In pratica, focalizzare il campo elettrico indotto nella stimolazione corticale significa stimolare selettivamente un insieme di neuroni in modo che possano essere osservati effetti rilevabili sul sistema motorio, sul sistema sensoriale o sull'attività cognitiva.
-However, the complexity of brain structure and the numerous synaptic contacts along the efferent and afferent pathways to the cerebral cortex do not allow for a linear relationship between the electromagnetic stimulus and the desired response. Additionally, the stimulation thresholds of different sets of neurons vary depending on the type of neuron, the depth from the cortical surface, and the orientation of nerve structures, making both field intensity and direction important. Moreover, attempting to concentrate the induced electric fields in a small brain region produces low-intensity fields. Thus, focusing effective fields seems to be a compromise between the area where the field exceeds a certain threshold and the maximum achievable field intensity.
+Tuttavia, la complessità della struttura cerebrale e i numerosi contatti sinaptici lungo gli efferenti e
-A similar but distinct parameter from focusing is stimulation efficiency. This concept is more related to energy considerations for stimulation coils, in the sense of determining the minimum energy required for stimulation and how localized the resulting stimulus can be. It is conceivable that future developments in the technique will synthesize these two operational and design objectives, but as it stands, due to the fundamental physics underlying magnetic stimulation, it can be stated that focusing the electric field in a specific region of the body does not, at least theoretically, equate to minimizing the required energy—i.e., the energy that must be stored in the coil to generate the time-varying magnetic pulse.
+Le vie afferenti alla corteccia cerebrale non permettono una relazione lineare tra lo stimolo elettromagnetico e la risposta desiderata. Inoltre, le soglie di stimolazione di diversi gruppi di neuroni variano a seconda del tipo di neurone, della profondità dalla superficie corticale e dell'orientamento delle strutture nervose, rendendo sia l'intensità che la direzione del campo importanti. Inoltre, tentare di concentrare i campi elettrici indotti in una piccola regione del cervello produce campi a bassa intensità. Pertanto, focalizzare campi efficaci sembra essere un compromesso tra l'area in cui il campo supera una certa soglia e l'intensità massima del campo raggiungibile.
-Finally, an additional aspect related to focusing is the ability to concentrate the fields in depth and not just on a superficial region. To emphasize this aspect, we will refer to surface focusing and deep or volumetric focusing.
+Un parametro simile ma distinto dalla focalizzazione è l'efficienza di stimolazione. Questo concetto è più legato alle considerazioni energetiche per le bobine di stimolazione, nel senso di determinare l'energia minima richiesta per la stimolazione e quanto localizzato possa essere lo stimolo risultante. È concepibile che i futuri sviluppi della tecnica sintetizzeranno questi due obiettivi operativi e di progettazione, ma allo stato attuale, a causa della fisica fondamentale che sottende la stimolazione magnetica, si può affermare che focalizzare il campo elettrico in una regione specifica del corpo non equivale, almeno teoricamente, a minimizzare l'energia richiesta, cioè l'energia che deve essere immagazzinata nella bobina per generare l'impulso magnetico variabile nel tempo.
-A stimulation coil is made up of one or more well-insulated copper windings, along with other electronic devices such as temperature sensors and safety switches <ref>Jalinous, R., Technical and practical aspects of magnetic stimulation. ''J. Clin. Neurophysiol.'', 8, 10-25, 1991.</ref>. Circular coils are the simplest and most straightforward design, and to this day, they are the most commonly used for stimulating the central nervous system (CNS) or spinal nerve roots. In clinical neurology, the CNS is stimulated with a circular coil of relatively large diameter, and the coil's position and angle relative to the subject’s head are adjusted to obtain the desired motor response.
+Infine, un ulteriore aspetto legato alla focalizzazione è la capacità di concentrare i campi in profondità e non solo su una regione superficiale. Per enfatizzare questo aspetto, ci riferiremo alla focalizzazione superficiale e alla focalizzazione profonda o volumetrica.
-The expression for the induced electric field inside a spherical medium has the following form:
+Una bobina di stimolazione è composta da uno o più avvolgimenti di rame ben isolati, insieme ad altri dispositivi elettronici come sensori di temperatura e interruttori di sicurezza <ref>Jalinous, R., Technical and practical aspects of magnetic stimulation. ''J. Clin. Neurophysiol.'', 8, 10-25, 1991.</ref>. Le bobine circolari sono il design più semplice e diretto, e fino ad oggi, sono le più comunemente utilizzate per stimolare il sistema nervoso centrale (SNC) o le radici nervose spinali. In neurologia clinica, il SNC viene stimolato con una bobina circolare di diametro relativamente grande, e la posizione e l'angolo della bobina rispetto alla testa del soggetto vengono regolati per ottenere la risposta motoria desiderata.
+L'espressione per il campo elettrico indotto all'interno di un mezzo sferico ha la seguente forma:
 <math>E(x,y,z)=\left ( \frac{di(t)}{dt} \right )\cdot G(x,y,z)</math>             <math>(1)</math>
+In pratica, il campo elettrico indotto <math>E</math> è direttamente proporzionale alla derivata temporale della corrente nella bobina <math>i(t)</math> e a un fattore spaziale <math>G(x,y,z)</math>, che dipende dalle forme e dalle dimensioni dei mezzi e della bobina, dalle loro proprietà elettriche e dalla posizione relativa della bobina rispetto al punto in cui il campo viene calcolato <math>(x, y, z)</math>. Il comportamento temporale di <math>E</math> è quindi proporzionale solo
+alla derivata temporale della corrente che passa attraverso la bobina, e quindi dipende dal tipo di impulso di corrente (ad esempio, monofasico o bifasico) fornito dallo stimolatore alla bobina (Fig. 2). Di conseguenza, lo studio della focalizzazione del campo è strettamente legato al fattore spaziale <math>G</math>.
+Consideriamo ora una bobina circolare posizionata tangenzialmente, in modo tale che un raggio di una sfera, che rappresenta idealmente la testa, coincida con l'asse della bobina. Il campo elettrico indotto (Fig. 3) è nullo lungo l'asse di simmetria della bobina e raggiunge il suo massimo appena sotto il bordo della bobina <ref>Roth, B.J., Cohen, L.G., Hallett, M., Friauf, W., Basser, P.J. A theoretical calculation of the electric field induced by magnetic stimulation of a peripheral nerve. ''Muscle Nerve'', 13, 734-741, 1990</ref>.
-In practice, the induced electric field <math>E</math> is directly proportional to the time derivative of the current in the coil <math>i(t)</math> and to a spatial factor <math>G(x,y,z)</math>, which depends on the shapes and dimensions of the media and the coil, their electrical properties, and the relative position of the coil with respect to the point where the field is being calculated <math>(x, y, z)</math>. The temporal behavior of <math>E</math> is therefore proportional only to the time derivative of the current passing through the coil, and thus it depends on the type of current pulse (e.g., monophasic or biphasic) delivered by the stimulator to the coil (Fig. 2). As a result, the study of field focusing is closely related to the spatial factor <math>G</math>.
+In pratica, è possibile ottenere un campo elettrico indotto massimo solo nelle regioni vicine al bordo della bobina. Inoltre, man mano che aumenta la profondità del piano di misurazione, il valore massimo del campo tende a diminuire e a diffondersi in cerchi sempre più ampi. Inoltre, per bobine circolari con raggi diversi, il valore massimo del campo si trova sempre a una distanza dall'asse approssimativamente uguale al raggio della bobina.
+[[File:Figure 3 (Ravazzani).jpg|center|thumb|500x500px|'''Figura 3:''' Tracciati delle isolinee del campo elettrico prodotto da una bobina circolare in un mezzo infinito, a diverse distanze dal piano della bobina (1, 2, 4 cm).]]
-Now, let us consider a circular coil placed tangentially, in such a way that a radius of a sphere, ideally representing the head, coincides with the coil’s axis. The induced electric field (Fig. 3) is zero along the coil’s axis of symmetry and reaches its maximum just below the coil’s edge <ref>Roth, B.J., Cohen, L.G., Hallett, M., Friauf, W., Basser, P.J. A theoretical calculation of the electric field induced by magnetic stimulation of a peripheral nerve. ''Muscle Nerve'', 13, 734-741, 1990</ref>.
+Nella pratica clinica, ci sono tre configurazioni comuni: i) bobina tangenziale al bordo (ET), ii) bobina longitudinale ortogonale (OL), e iii) due bobine a forma di farfalla adiacenti (BT). La capacità di focalizzazione può essere definita come:
+(2)
+che è il rapporto tra l'area interessata da valori di campo superiori alla metà del massimo campo elettrico indotto e l'area totale.
-In practice, it is possible to obtain a maximum induced electric field only in regions close to the coil’s edge. Furthermore, as the depth of the measurement plane increases, the maximum field value tends to decrease and spread into increasingly wider circles. Additionally, for circular coils with different radii, the maximum field value is always found at a distance from the axis approximately equal to the coil’s radius.
+Sebbene la configurazione OL offra la migliore capacità di focalizzazione, la configurazione BT combina una buona focalizzazione con valori di campo sufficientemente alti da permettere una stimolazione facile. Il comportamento del campo e la capacità di focalizzazione sono influenzati anche dalla dimensione delle bobine utilizzate <ref>Ravazzani P., Ruohonen, J., Tognola, G., Grandori, F.: Magnetic stimulation of the nervous system. Comparison of the induced electric field computed in unbounded, semi-infinite, spherical and cylindrical media. ''Annals Biomed. Eng.'', 24, 1996, pp. 606-616.1996.</ref>. Inoltre, nella configurazione BT, le correnti nelle due bobine devono avere la stessa intensità e fluire in direzioni opposte. Questo è necessario per ottenere la massima intensità del campo nella regione in cui le due bobine si incontrano <ref name=":1">Grandori, F., Ravazzani, P. Magnetic stimulation of the motor cortex. Theoretical considerations. ''IEEE Trans. Biomed. Eng.'', 38, 180-191, 1991.</ref>. Il principale svantaggio pratico della configurazione BT è la limitata flessibilità angolare durante le sessioni di stimolazione corticale, principalmente a causa delle dimensioni maggiori di queste bobine rispetto a quelle circolari. Pertanto, quando il sito di stimolazione non è predeterminato o è
-[[File:Figure 3 (Ravazzani).jpg|center|thumb|500x500px|'''Figure 3:''' Isoline plots of the electric field produced by a circular coil in an infinite medium, at different distances from the coil plane (1, 2, 4 cm).]]
+ difficile da raggiungere, è preferibile una singola bobina più maneggevole.
-In clinical practice, there are three common configurations: i) edge tangential coil (ET), ii) orthogonal longitudinal coil (OL), and iii) two adjacent butterfly-shaped coils (BT). Focusing capacity can be defined as:
+===Concentrazione del Volume===
-(2)
-which is the ratio of the area affected by field values greater than half of the maximum induced electric field to the total area.
-Although the OL configuration provides the best focusing capacity, the BT configuration combines good focusing with sufficiently high field values to allow for easy stimulation. Field behavior and focusing capacity are also influenced by the size of the coils used <ref>Ravazzani P., Ruohonen, J., Tognola, G., Grandori, F.: Magnetic stimulation of the nervous system. Comparison of the induced electric field computed in unbounded, semi-infinite, spherical and cylindrical media. ''Annals Biomed. Eng.'', 24, 1996, pp. 606-616.1996.</ref>. Additionally, in the BT configuration, the currents in the two coils must be of the same intensity and flow in opposite directions. This is necessary to achieve maximum field strength at the region where the two coils meet <ref name=":1">Grandori, F., Ravazzani, P. Magnetic stimulation of the motor cortex. Theoretical considerations. ''IEEE Trans. Biomed. Eng.'', 38, 180-191, 1991.</ref>. The main practical drawback of the BT configuration is the limited angular flexibility during cortical stimulation sessions, mainly due to the larger size of these coils compared to circular ones. Therefore, when the stimulation site is not predetermined or is difficult to reach, a single, more maneuverable coil is preferred.
+Uno dei principali svantaggi della stimolazione magnetica (SM) è la sua "capacità limitata" di concentrare le correnti indotte nei tessuti non superficiali rispetto alla stimolazione elettrica. Per "capacità limitata" si intende che, con i dispositivi attualmente disponibili, non è possibile concentrare esclusivamente una specifica distribuzione dei campi elettrici indotti nelle regioni interne per attivare le fibre nervose.
-===Volume Focusing===
+Il campo generato dalle configurazioni di bobine attuali diminuisce con l'aumentare della distanza dalla bobina. Per questo motivo, stimolare il tessuto profondo con un campo elettrico indotto <math>E</math> comporta necessariamente la generazione di campi elettrici più grandi nei tessuti più superficiali tra la bobina e il punto stimolato. Inoltre, la capacità di concentrazione delle bobine diminuisce a maggiori profondità.<ref name=":1" /> Queste considerazioni significano che stimolare il tessuto cerebrale profondo porta all'attivazione di ampie aree della corteccia motoria, che controllano i muscoli di vaste regioni del corpo, risultando così in una stimolazione generalizzata e in risultati diagnostici di valore limitato.
-One of the main disadvantages of magnetic stimulation (MS) is its "limited capacity" to concentrate induced currents in non-superficial tissues compared to electrical stimulation. By "limited capacity," we mean that, with currently available devices, it is not possible to exclusively concentrate a specific distribution of induced electric fields in internal regions to activate nerve fibers.
+==Conclusioni==
-The field generated by current coil configurations decreases as the distance from the coil increases. For this reason, stimulating deep tissue with an induced electric field <math>E</math> necessarily involves generating larger electric fields in the more superficial tissues between the coil and the stimulated point. Additionally, the focusing capacity of the coils decreases at greater depths.<ref name=":1" /> These considerations mean that stimulating deep brain tissue leads to the activation of large areas of the motor cortex, which control the muscles of extensive body regions, thus resulting in generalized stimulation and diagnostic results of limited value.
+Concentrare e controllare i campi indotti all'interno dei tessuti biologici attraverso la stimolazione magnetica deve indubbiamente essere considerato un aspetto prioritario nel miglioramento della tecnica. Migliorare queste caratteristiche, insieme all'ottimizzazione delle apparecchiature per ridurre la potenza utilizzata, dovrebbe essere visto come un passo fondamentale per estendere la tecnica ad altre applicazioni biomediche.
-==Conclusions==
-Focusing and controlling the fields induced within biological tissues through magnetic stimulation must undoubtedly be considered priority aspects in improving the technique. Improving these characteristics, along with optimizing the equipment to reduce the power used, should be seen as a fundamental step towards extending the technique to other biomedical applications.
+Per quanto riguarda i dispositivi esistenti, la capacità di concentrazione fornita dalla doppia bobina (BF) sembra del tutto insufficiente per l'uso della tecnica nelle strutture nervose profonde, come le radici del nervo trigemino in gnatologia. <ref>Frisardi G., Ravazzani P., Tognola G., Grandori F.: Stimolazione transcranica elettrica versus magnetica del sistema trigeminale in soggetti sani. Applicazioni cliniche in gnatologia. ''Journal of Oral Rehabilitation'', 24, 1997, pp. 120-128.</ref> Una configurazione capace di ottenere, in determinate condizioni, la concentrazione del volume è quella proposta da Edrich e Zhang. <ref>Edrich J, Zhang T.: Concentrazione neuromagnetica per la stimolazione transcranica selettiva dei muscoli. ''Biomed Sci Instrum'' 1997;34:153-156.</ref> Consiste in due bobine mutuamente ortogonali che possono produrre l'effetto di concentrazione desiderato all'interno dei tessuti, a condizione che i raggi e le correnti siano selezionati appropriatamente. Sfruttando l'effetto di cancellazione superficiale reciproca dei campi indotti da ciascuna bobina, si possono ottenere massimi relativi in profondità, lungo particolari direzioni. In particolare, lungo l'asse verticale che passa attraverso il punto in cui le due bobine si incontrano, il campo indotto dalla bobina orizzontale annulla il campo generato dalla bobina verticale sulla superficie. In questo modo, il campo indotto raggiunge un massimo interno a una profondità di circa 3 cm dalla superficie della testa. Questo massimo è dovuto alla diversa distribuzione spaziale, all'interno del
-Regarding existing devices, the focusing capacity provided by the double coil (BF) seems entirely insufficient for using the technique in deep nerve structures, such as the trigeminal nerve roots in gnathology. <ref>Frisardi G., Ravazzani P., Tognola G., Grandori F.: Electric versus magnetic transcranial stimulation of the trigeminal system in healthy subjects. Clinical applications in gnathology. ''Journal of Oral Rehabilitation'', 24, 1997, pp. 120-128.</ref> A configuration capable of achieving, under certain conditions, volume focusing is the one proposed by Edrich and Zhang. <ref>Edrich J, Zhang T.: Neuromagnetic focusing for selective transcranial stimulation of muscles. ''Biomed Sci Instrum'' 1997;34:153-156.</ref> It consists of two mutually orthogonal coils that can produce the desired focusing effect within tissues, provided that the radii and currents are appropriately selected. By exploiting the mutual surface cancellation effect of the fields induced by each coil, relative maxima can be achieved at depth, along particular directions. Specifically, along the vertical axis passing through the point where the two coils meet, the field induced by the horizontal coil cancels out the field generated by the vertical coil on the surface. In this way, the induced field achieves an internal maximum at a depth of about 3 cm from the surface of the head. This maximum is due to the different spatial distribution, within the sphere, of the field induced by the horizontal coil and that induced by the vertical coil, which combine to produce the surface cancellation effect and volume focusing.
+ sphere, del campo indotto dalla bobina orizzontale e di quello indotto dalla bobina verticale, che si combinano per produrre l'effetto di cancellazione superficiale e di focalizzazione volumetrica.
-Regarding field control, in recent years, a programmable multicoil configuration has been proposed, which could make it possible to selectively stimulate different nerve structures through optimization methods. In practice, the desired field (target) is obtained by analytically optimizing the current required to send to each coil in a matrix so that a field as close as possible to the desired one is theoretically generated.
+Per quanto riguarda il controllo del campo, negli ultimi anni è stata proposta una configurazione multibobina programmabile, che potrebbe rendere possibile la stimolazione selettiva di diverse strutture nervose attraverso metodi di ottimizzazione. In pratica, il campo desiderato (target) viene ottenuto ottimizzando analiticamente la corrente necessaria da inviare a ciascuna bobina in una matrice in modo che teoricamente venga generato un campo il più vicino possibile a quello desiderato.
-Regarding equipment optimization, stimulator design has so far generally neglected some non-ideal characteristics of coils. A more in-depth study and design should consider electromagnetic effects such as the skin effect and the proximity effect, which allow for a more accurate calculation of electrical resistances in the stimulator and the consequent necessary currents. As for reducing the circulating currents in coils, Carbunaru and Durand <ref>Carbunaru R, Durand DM.: Toroidal coil models for transcutaneous magnetic stimulation of nerves. ''IEEE Trans Biomed Eng'' 2001 Apr;48(4):434-41</ref> recently proposed the use of a coil wound in ferromagnetic material for peripheral stimulation, achieving nerve fiber stimulation with currents three times lower than those typically required for magnetic stimulation.
+Per quanto riguarda l'ottimizzazione dell'attrezzatura, finora la progettazione degli stimolatori ha generalmente trascurato alcune caratteristiche non ideali delle bobine. Uno studio e una progettazione più approfonditi dovrebbero considerare effetti elettromagnetici come l'effetto pelle e l'effetto di prossimità, che consentono un calcolo più accurato delle resistenze elettriche nello stimolatore e delle correnti necessarie conseguenti. Per quanto riguarda la riduzione delle correnti circolanti nelle bobine, Carbunaru e Durand <ref>Carbunaru R, Durand DM.: Toroidal coil models for transcutaneous magnetic stimulation of nerves. ''IEEE Trans Biomed Eng'' 2001 Apr;48(4):434-41</ref> hanno recentemente proposto l'uso di una bobina avvolta in materiale ferromagnetico per la stimolazione periferica, ottenendo la stimolazione delle fibre nervose con correnti tre volte inferiori a quelle tipicamente richieste per la stimolazione magnetica.
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