Resumen de Bobinas óptimas para bioingeniería y electrónica
José Antonio Vílchez Membrilla
La estimulación magnética transcraneal, TMS, es una técnica clínica no invasiva empleada para modelar la actividad de cerebral que ha sido usada con éxito en aplicaciones médicas asociadas a trastornos neurológicos como la depresión, enfermedad de Parkinson o la esquizofrenia, entre otros. Actualmente, presenta prometedoras aplicaciones en el ámbito de la neurociencia y un enorme potencial como herramienta de terapia y de diagnóstico, especialmente al combinarla con otras técnicas clínicas como la imagen por resonancia magnética, MRI, o la tomografía por emisión de positrones, PET. La tasa de éxito de esta técnica está asociada a límites en el diseño electrónico del dispositivo ya que una estimulación completamente focalizada y ajustada a la estructura conocida del cerebro supone un avance decisivo en la mejora del paciente. Sin embargo, las bobinas TMS existentes en la actualidad no permiten una gran focalización ni profundidad de la estimulación generada. Además, el uso conjunto de TMS con las técnicas clínicas mencionadas conllevan un desafío técnico difícil de solventar, como es el caso de la aplicación conjunta de TMS y MRI. Los elevados campos magnéticos presentes en el interior los escáneres MRI provocan altas fuerzas de Lorentz que pueden derivar en el fallo de la bobina, presentando incluso potenciales riesgos para el paciente.
El objetivo de este trabajo consiste en el desarrollo y la evaluación de un innovador método para el diseño de dispositivos electrónicos para TMS de altas prestaciones, capaces de producir de una forma eficiente estimulaciones más focalizadas, más profundas y que sean estables mecánicamente bajo campos magnéticos elevados. Para este fin, el trabajo incluye la presentación de un formalismo matemático basado en el método de los elementos de contorno inverso, IBEM, formulado en términos de una función stream, a partir del cual se podrán formular distintos problemas de optimización sujetos a distintas condiciones como puede ser maximizar el campo magnético o minimizar la potencia disipada entre otras. La solución a estos problemas de optimización, descritos a partir de un formalismo matemático basado en el uso de Supporting Vectors, permite obtener el cableado de la bobina TMS que cumplirá con las restricciones impuestas en el problema de optimización inicial. De esta forma, en este trabajo se desarrollarán bobinas TMS para aplicaciones de estimulación profunda, dTMS, y bobinas que minimicen las fuerzas de Lorentz con el objetivo de obtener dispositivos estables mecánicamente en el interior de escáneres MRI. Además, dada la potente herramienta para el diseño de bobinas que se desarrolla, se plantea su utilización en otras áreas de la ingeniería como puede ser el desarrollo de transductores para la calibración de sensores magnéticos para la detección de ondas gravitacionales en el espacio a partir del diseño de bobinas en placas de circuito impreso, PCB.
Los resultados obtenidos en el trabajo son prometedores, mostrando una clara mejora con respecto a los dispositivos TMS actuales. La utilización del método IBEM junto con el formalismo basado en los Supporting Vectors permite obtener bobinas con cualquier tipo de geometría que produzcan estimulaciones profundas y focalizadas para aplicaciones dTMS. Además, se consigue diseñar dispositivos para aplicaciones TMS en el interior de escáneres MRI que mejoran a los actuales. Estas bobinas operan de manera más segura y son más estables mecánicamente en el bajo elevados campos magnéticos. Además, se diseña una bobina PCB bajo el proyecto MELISA-III para la caracterización de sensores magnéticos para la detección de GWs. El proyecto MELISA-III se lanzó a órbita LEO a finales de 2023.
