Development and Application of Robotic Transcranial Magnetic Stimulation

Abstract

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a noninvasive neurostimulation technology that stimulates the brain by generating a rapid current change in a coil placed near the head of a patient, based on the principle of electromagnetic induction. This technique is now being utilized in both research and clinical applications. During application, the TMS coil must be fixed to the patient’s head in a target position for a certain period to increase the stimulation effect. In particular, placing the TMS coil using a robot can increase the accuracy and shorten the preparation time. Thus, we developed a positioning robot with a spherical mechanism to precisely and concisely move the TMS coil over a human head. The accuracy of the robot was approximately 0.94 mm in terms of the position and 0.11° in terms of the orientation. Note that for a system comprising the robot and an optical tracking sensor, hand–eye calibration must be performed before the treatment. Thus, we estimated the relationship between the marker attached to the TMS coil and the end-effector of the robot based on calibration. The calibration procedure was also repeated if the marker’s position was changed owing to the experimental environment. Although approaches involving the estimation of the robot’s position based on multiple movements have been proposed for accurate correction, the position of the robot is often estimated based on trial and error. In this thesis, we propose a guideline for robot positions, wherein a matrix comprising various robot positions is well-conditioned for robot position estimation. In our analysis, we conducted the following two experiments using the robotic TMS system: one involving the treatment of depression, and the other involving an improvement of the realism in virtual reality (VR) environments. For the clinical trials, we recruited 15 patients diagnosed with depression and compared the effects of repetitive TMS treatments using robotic and manual methods based on two analyses. With the aid of the robot, the preparation time was reduced by 53% compared with the manual treatment time. The regional blood flow in the target cortex (dorsolateral prefrontal cortex) was found to increase in both groups. However, the group with the robotic TMS presented greater reliability. Although the field of VR has gradually expanded, more immersive experiences are required to ensure realism in VR. We experimented with a change in the realism of VR using a TMS positioning robot capable of accurate motor cortex stimulation. For the quantitative evaluation of realism, we configured a virtual hand illusion (VHI) that could be analyzed based on the proprioceptive drift, which represents the relative difference in the perceived position of one’s hand between the baseline and after the VHI. We developed a self-localization device to precisely measure the drift with a standard deviation of approximately 62% lower than that in the existing method. Our results show that the experimental group experienced embodiment by exhibiting high proprioceptive drift (p<0.05). In both applications, the proposed TMS successfully led to obtaining meaningful results, showing indirectly the effectiveness and usefulness of our system.

| 경두개자기자극술 (Transcranial Magnetic Stimulation, 이하 TMS)은 전자기 유도 원리를 기반으로 두부 근처에 놓인 코일에 급속한 전류 변화를 일으켜 두개골 속 피질을 자극하는 비침습 뇌 자극 기술이다. 우울증과 같은 뇌질환을 치료하는 의료용 분야와 뇌 기능 분석을 위한 연구 등에 활발히 이용되고 있다. 뇌 자극 효과를 높이기 위해서 TMS 코일은 두부 위에 정해진 자세로 일정 시간동안 고정되어야 한다. 로봇을 이용한 TMS 코일 위치 조정 방법은 정확도를 높일 뿐만 아니라 반복된 준비 시간을 단축시킬 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 TMS 코일을 정밀하게 이동시키기 위한 포지셔닝 로봇을 개발하였다. 이는 기존 산업용 로봇들과 달리 뇌 자극에 용이한 작업 공간을 갖는 구형 구조를 통해 안전성을 높이고 특이점을 지나지 않는 효율적인 움직임을 갖는다. 본 로봇의 정확도는 목표 위치에 대해서, TMS 코일의 초기 도달 위치와 일정 시간 TMS 자극을 하는동안 TMS 코일의 위치를 비교하여 각각 약 1mm 이내 오차를 갖는다. 로봇과 마커 기반 위치 추정 센서를 함께 사용할 경우, 핸드-아이 보정이 요구된다. 본 시스템에서는 TMS 코일에 부착된 마커와 로봇의 말단부의 위치를 파악하기 위해 사용된다. 실험 환경에 따라 마커의 부착 위치가 변동될 경우, 이 보정이 반복되어야 한다. 기존에는 정확한 보정을 위해서 로봇의 자세를 더 다양하게 이동하여 추정하도록 제안하였지만, 실질적으로는 많은 시행착오를 통해 추정하였다. 따라서 본 연구에서는 로봇 자세로 이루어진 행렬이 작은 조건수(well-conditioned)를 갖도록 하여 오차에 영향을 적게 받도록 제안하였다. 개발된 로봇을 두 가지 분야인 우울증 치료와 가상 현실의 실감도 생성 연구에 적용하였다. 실제 우울증 환자 15명을 대상으로 수동으로 TMS 코일을 위치시키는 기존 방식과 로봇을 이용한 방식을 비교하는 예비 연구를 진행하였다. 로봇을 이용한 그룹에서 TMS 코일 위치의 높은 정확도와 함께 준비 시간은 약 53% 감소하였다. 또한 우울증 치료 결과를 단일광자단층촬영 분석한 결과, 두 그룹 모두 목표 피질(배외측 전전두엽 피질)에서 혈류량이 증가하였고 특히 로봇 그룹에서 더 높은 신뢰도를 보였다. 최근 가상/증강현실 수요가 증가하였으나, 시청각 정보만으로는 현실감을 높이기 힘든 문제점이 있다. 햅틱 장치를 손에 착용하여 추가적인 감각을 생성하는 연구가 있으나, 손의 자유도가 떨어지고 범위가 국한된다. 따라서, 정확하고 반복적인 운동 피질 자극이 가능한 TMS 포지셔닝 로봇을 이용하여 가상현실의 실감도를 변화를 연구하였다. 실감도에 대한 정량적 평가를 위해 기존 고무 손 환각 실험 (자기수용성 변화)을 가상 현실에 구성하였다. 그리고 자기수용성 변화를 정밀하게 측정하기 위한 장치를 개발하여 기존 방식 대비 약 62% 낮은 편차를 보였다. 시각적 자극과 TMS를 통한 자극간의 시간 차이를 둔 비동기 조건과 비교했을 때 동기 조건에서 높은 자기수용성의 변화를 보였다 (p<0.05). 본 연구에서는 로봇과 센서 간의 안정적인 보정을 위한 자세 제안 및 위치 기반 로봇 제어를 통해서 정밀하게 코일 위치를 조정하였으며, 두 가지 임상 시험을 통해서 로봇의 성능을 검증하였다.