JP4796564B2 - 磁気刺激のためのコイル及び磁気刺激装置 - Google Patents

Description

分野
本発明は、磁気刺激、特に経頭蓋磁気刺激のためのコイル、より詳しくは脳の深部領域を刺激することができる経頭蓋磁気刺激に関する。

背景
電磁石はほとんどの生体組織において電場を誘導することができる。経頭蓋磁気刺激（TMS）は、運動機能、視覚、言語、および脳の障害を含むヒト脳の局面を研究するための研究ツールとして広く用いられている。さらに、特に精神科において磁気刺激装置を治療的に用いることが現在研究されている。

生体組織の磁気刺激は、刺激される組織に隣接して配置された針金のような電導性材料のコイルの中に短い大電流パルスを通過させることによって得てもよい。磁場は、電束が磁気コイルの平面に対して垂直に通過する電気パルスによって形成される。この磁場は次に、電導性媒体において電場を誘導することができる。動物の脳は電導性媒体であり、TMSでは、誘導された電場が脳のニューロンを刺激する。しかし、電磁コイルは、筋肉のような他の電導性組織を刺激するために身体の他の部分の上に配置してもよい。

機能的な磁気コイルは、円形、８の字型、四角形、花弁形、らせん形、および「スリンキー（slinky）」コイルを含む多様な形状で作製してもよい。例えば、カルドウェル（Caldwell, J.）「磁気刺激装置の設計、磁気モーター刺激の最適化：基本原理と臨床経験（Optimizing Magnetic Stimulator Design, Magnetic Motor Stimulation：Basic Principles and Clinical Experience）」、1991、238〜48（レビー（Levy, W.J.）ら編）；チマーマン（Zimmermann, K.P.）およびシンプソン（Simpson, R.K.）、Electroencephal. Clin. Neurophysiol. 101：145〜52（1996）；米国特許第6,066,084号、（エドリッチ（Edrich）ら）を参照のこと。コイルには、変換材料のコイル以外の特徴が含まれてもよい。例えば、米国特許第6,086,525号（ダベイ（Davey）ら）、および国際公開公報第98/06342号（エプスタイン（Epstein）ら）は、強磁性材料、好ましくはバナジウムパーメンジュールのコア周囲に巻き付けたコイルで形成される磁気刺激装置を開示している。しかし、そのようなコイルは非常に重く、製造するには高価となりうる。

既知のコイルを用いるTMSは、頭骨の表面に近い脳の領域を刺激できることが示されているが、これらの既知コイルによって形成された磁場は一般的に、磁場の強度を大きく増加させなければ、脳の深部に貫通しない。しかし、磁場の強さまたは強度を増加させることには、生理的損傷および急発作を引き起こすリスクがある。

脳の深部領域には側坐核が含まれ、これは、報酬回路において主要な役割を果たし、コカインの投与に反応して活性化されることが知られている脳の部分である。さらに、内側、前前頭、または帯状皮質を側坐核と結ぶ神経線維は、報酬および動機付けにおいて何らかの役割を果たしており、側坐核の活性化も同様に、快楽作用を引き起こす可能性がある。

TMSに用いられる既知のコイル（例えば、８の字コイル）は、脳の皮質領域、主にコイル中心部より下の皮質領域に影響を及ぼす。しかし、これらの既知のコイルによって形成される電場の強度は、コイルから離れる距離が大きくなるにつれて非常に急速に低下する。したがって、既知のコイルを用いて脳の深部領域を刺激するためには、コイルによって頭骨（およびしばしば脳）を侵襲するか、または高い強度の電場を用いるかのいずれかを必要とすると思われる。侵襲性の技法はしばしば、被験者または患者に疼痛または不快感を引き起こし、たいていの場合患者は嫌がるであろう。高い強度の電場はてんかん発作またはその他の神経学的問題を引き起こす可能性がある。その上、高い強度の電場は、脳の特定の深部領域を刺激するよりむしろ被験者の脳全体に汎発性の影響を及ぼす可能性があり、他の有害な副作用を引き起こす可能性がある。さらに、既知のコイル設計では最大の電場強度が制限されうる。
米国特許第6,066,084号 米国特許第6,086,525号 国際公開公報第98/06342号 カルドウェル（Caldwell, J.）「磁気刺激装置の設計、磁気モーター刺激の最適化：基本原理と臨床経験（Optimizing Magnetic Stimulator Design, Magnetic Motor Stimulation：Basic Principles and Clinical Experience）」、1991、238〜48（レビー（Levy, W.J.）ら編） チマーマン（Zimmermann, K.P.）およびシンプソン（Simpson, R.K.）、Electroencephal. Clin. Neurophysiol. 101：145〜52（1996）

したがって、非侵襲性のTMSの際に頭骨外に配置した場合に、脳の深部領域を刺激することができる磁気コイルが必要である。

概要
本発明は、磁気刺激のためのコイルに関する。コイルは、被験者の身体の外に配置してもよく、そのように配置した場合、その被験者の体内で電流を誘導するように操作することができる。磁気コイルは、経頭蓋磁気刺激（TMS）装置として用いてもよく、側坐核のような脳の深部領域を刺激することができる。

装置は、フレームと電導性コイルとを含み、部分的に環状または卵形の基部と、外側に突出する拡張部とを有してもよい。部分的環状または卵形の基部は、通常、被験者の身体の方向を向いた凹面の第一の側面を有する。拡張部は基部の第二の側面から拡張する（すなわち、凹面の第一の側面から離れて）。フレームは柔軟なまたは展性の材料であってもよく、電導性コイルは、フレームにカップリングした電導性材料（針金のような）を一つまたはそれ以上の巻線を含んでもよい。コイルは、電源に電気的に接続される。

特定の態様は、脳のような生体組織内で電場を形成するために、約10〜約100ボルト／メートルまたはそれ以上の範囲で、約10,000アンペア／100マイクロ秒またはそれ以上の範囲の電流変化率を生じることができる電源を用いる。コイルは、一般的に約1000マイクロ秒持続する一つまたはそれ以上の電流パルスによって活性化してもよい。

装置は、被験者（動物のような）の身体に隣接して、または接触して配置してもよい。特定の態様において、装置はヒト被験者の頭部の上に配置する。しかし、装置は被験者の身体の如何なるところにも配置することが可能であり、例えばそのような組織内で電場を誘導することによって、その被験者の身体の一つの組織または多数の組織を磁気的に刺激するために用いられるであろう。装置を被験者の頭骨外部に配置する場合、装置は、頭骨周囲の様々な方向に配置してもよい。

装置は、第一の末端、第二の末端、長さの軸および幅の軸を有する基部を有する。いくつかの態様において、基部の構造はそれぞれの軸に沿った弓状構造を含む。この弓状構造（長さの軸と幅の軸の双方に沿って）は、一般的に装置を用いる身体の部分の外形と相補的であり、一般的に環状または卵形の形状を含む。

基部の全体的な長さ（長さの軸に沿って測定）は、被験者の体格および装置を配置する身体の位置に応じて、特定の被験者またはクラスの被験者に適合させることができる。基部の長さの軸に沿う弓状構造の長さが約26 cmである装置は、装置を被験者の頭骨に対して外部に配置する場合、ほとんどの成人について用いるために適していることが判明した。さらに、部分的に環状または卵形の基部の全体的な幅（幅の軸に沿って測定）は、被験者の体格および装置を配置する身体の位置に応じて、特定の被験者またはクラスの被験者に適合させることができる。成人ヒト被験者に関して、装置を被験者の頭骨の外部に配置する場合、幅の軸に沿った弓状構造の長さは約５cmの範囲であってもよい。

拡張部は、部分的に環状または卵形の基部を通して電流が戻ってくるための帰路を提供する。いくつかの態様において、拡張部は、基部におけるコイルの部分によって生じる磁場に対する抵抗または干渉を減少させるために、基部に放射状に拡張する最小の数の成分を有する。特定の態様は、三角形または上方に収束する拡張部を用いることによってこの目的を達成する。しかし、拡張部は、拡張部が少ない放射状成分を提供し、基部においてコイルによって形成される磁場の干渉を減少させる限り、弓形または半球形のような三角形以外の形状であってもよい。

もう一つの態様において、拡張部は、基部の部分から放射状に外側に突出する伸長した要素の形で個々に帰路の集団を含む。例えば、拡張部は、扇風機様のパターンに配列した多数の帰路（個々の針金に対応する）を含んでもよい。そのような態様において、個々の帰路は選択的に、前方または後方方向に枝分かれしてもよい。

コイルは電気変換器として機能する金属の帯または針金のような電導性材料の一つまたはそれ以上の巻線を含む。いくつかの態様において、巻線はフレームに関連している。例えば、針金はフレームが電導性でない限り、フレームに沿って並べる、載せる、周囲を巻く、または内側に配置してもよい。他の態様において、フレームそのものがコイルである。装置コイルはまた、抵抗器およびコンデンサーのような他の電気的成分を含んでもよい。

磁気刺激装置はまた、被験者に面する基部の第一の側面に隣接して配置されるクッションを含んでもよい。装置はまた、フレームおよびコイルを覆うプラスチックまたはゴムのようないくつかの非電導性材料を含んでもよく、何らかの柔軟なまたは展性の材料で形成されたフレームを用いてもよい。特定の態様は、ユーザーがコイルをよりよく並べることができるように、そしてコイルの何らかの部分が被験者の体表面に接して存在することができるように、柔軟なまたは展性の基部を用いる。

装置は、被験者の身体の多様な方面および如何なる部分においても用いることができる。神経組織および筋肉組織（しかしこれらに限定されない）を含む如何なる伝導組織も、装置によって刺激してもよい。

装置は、神経生理学的病態のような特定の生理的病態を治療するためにヒトに用いてもよい。例えば、装置は、薬物耽溺およびうつ病のような脳の深部領域に関連した神経生理学的病態を調べるまたは治療するために用いてもよい。

装置を用いる方法の一つの態様は、神経生理学的病態を有する被験者を特定する段階；上記の電導性コイルを提供する段階（すなわち、被験者の身体の部分に向けられた凹面の第一の側面を有する部分的に環状または卵形の基部を有する）；コイルを被験者の頭骨の外側に配置する段階；コイルを電源に接続する段階；およびコイルを活性化して被験者の脳の深部領域を刺激する段階を含む。装置は、脳の他の領域に及ぼす深部脳刺激の影響を調べるために、磁気共鳴画像（MRI）または陽電子射出断層撮影（PET）のような脳の造影法と併用して用いてもよい。多くの態様は、被験者の脳を非侵襲的に刺激することを含む。

いくつかの態様において、電磁パルスの列を被験者に投与する。パルスの列は、一定期間にわたって与えられる適当数の個々のパルスを含んでもよい。パルスの数および周波数は変化してもよい。特定の態様は、約20〜約30 Hzの範囲の周波数を用いる。パルスの列を、約20〜約30秒のような一定期間与えてもよい。磁気パルスの複数の列を１回のセッションで与えてもよい。被験者が特定の病態を有する場合、臨床改善が得られるまで多数の治療セッションを行ってもよい。

詳細な説明
本明細書において、単数形「一つの（a）」、「一つの（an）」、および「それ（the）」は、本文がそうでないことを明らかに明記していない限り、複数形と共に単数形の双方を意味する。例えば、「一つのコイル」という用語には、単数または複数のコイルが含まれ、「少なくとも一つのコイル」という句と同等であると見なすことができる。

本明細書において用いられるように、「含む（comprises）」という用語は、「含む（includes）」ことを意味する。

本発明は、被験者の身体の一部の外部に配置した場合にその被験者の体内に電流を誘導するように操作することができる磁気刺激のためのコイルに関する。特定の態様において、磁気コイルは経頭蓋磁気刺激（TMS）のために用いてもよい。被験者の頭骨の外部に配置した場合、装置は、側坐核のような脳の深部領域を含む被験者の脳を刺激することができる。この装置を用いる方法には、臨床的または非臨床的うつ病、物質の乱用、および薬物耽溺のような神経生理学的病態を治療することが含まれる。

図１は、装置の一つの態様を示す。装置11は、フレームと電導性コイルとを含み、これらは部分的に環状または卵形の基部12、および外側に突出する拡張部14を含む。いくつかの態様において、電導性材料で構成されたフレームのような、フレームそのものが電導性コイルである。しかし、他の態様において、フレームは柔軟なまたは展性の材料であり、これは特定の応用に合わせて所望の形状に成形してもよく、電導性コイルは、フレームに沿って配置した、フレームに載せた、周囲を巻いた、または内部に配置するように、フレームに関連した電導性材料の一つまたはそれ以上の巻線を含む。

コイルは、図１の電線16、18によるように電源（示していない）に接続する。他の態様は、類似の電線によって電源に類似の接続を用いてもよい。

コイルは、金属のような如何なる電導性材料で構成してもよい。特定の態様は、銅、アルミニウム、または他の電導性材料で構成された針金を含むコイルを有する。電源は、他の磁気コイルについても利用できる電源のような如何なる適当な市販の電源であってもよい。そのような電源の例には、アメリカ、ミネソタ州、ミネアポリスのメドトロニック社が製造する磁気刺激装置の様々なモデルと共に販売されている電源（例えば、マグプロ（MagPro）、マグライトコンパクト（MagLite Compact））、またはアメリカ、ニューヨーク州ニューヨークのマグスチム社US、LLCが製造している磁気刺激装置の様々なモデルと共に販売されている電源（例えば、マグスチムモデル200（Magstim Model 200）、マグスチムモデル220、マグスチムモデル250、バイスチム（Bistim）、マグスチムラピッド（Magstim Rapid）、マグスチムクアドロパルス（Magstim Quadro Pulse））が含まれる。

特定の態様は、約10〜約数百ボルト／メートルの範囲の電場を生じるために、コイルのインダクタンスに応じて約10,000アンペア／100マイクロ秒またはそれ以上の範囲の電流変化率を生じることができる電源を用いる。コイルは、それぞれのパルスが約2000マイクロ秒まで持続する一つまたはそれ以上の電流パルスによって活性化してもよい。特定の態様において、パルスの長さは持続が約1000マイクロ秒である。

脳組織のような神経組織を刺激する場合、最大電流およびパルスの最初の電流の上昇時間は、パルスの長さに大きく依存する。これらのパラメータは、電気的パルスを生じるために用いる電源およびコイルのインダクタンスに大きく左右される。いくつかの態様において、コイルを一回巻くと約10マイクロヘンリーのインダクタンスが得られる。市販の電源（上記）は、約1000マイクロ秒のパルス長を有するコイルにおいて電気的パルスを生じることができる。しかし、パルス長は、回路の静電容量および／または抵抗、および／またはコイルのインダクタンスおよび／または抵抗を変化させることによって、変化させてもよい。

部分的に環状または卵形の基部12は、被験者の身体の部分に向けられる凹面の第一のまたは外側の側面19、または第一の側面19とは反対側20の第二のまたは内側の側面20を有する。拡張部14は、この第二の側面から外側に、基部から離れるように拡張する。

装置は、被験者の身体に隣接して、または接して配置してもよい。図１は、ヒト被験者の頭部100の上に装置11を配置したものを表す。しかし、装置は、被験者の身体の如何なる場所に配置することも可能で、例えばそのような組織内で電場を誘導することによって、その被験者の身体の組織を磁気的に刺激するために用いられる。さらに、被験者は、ヒトを含む哺乳類のような如何なる動物であってもよい。

装置を被験者の頭骨の外部に配置する場合、装置は、頭骨周囲の様々な方向に配置してもよい。例えば、図１は、頭骨の上部に配置した装置11を示している。装置11は、被験者の前頭を横切って頭骨の背部に配置することができ、または頭骨の如何なる場所にも配置することができる。しかし、装置は、基部12の凹面の側面19を被験者の身体に面するように装置11を配置すると、被験者の体内で有効に電場を誘導する。

図１に絵で示す装置11は、第一の末端22と第二の末端24とを有する部分的に環状または卵形の基部12を有する。これら２つの末端22、24のあいだを拡張する線は、基部12の長さに沿った長さの軸を定義する。基部12は、図３にさらに示すように、その長さの軸に沿って実質的に弓形、半円形、または半卵形を有する。基部12はまた、その長軸に対して垂直に拡張する幅の軸を有する。この幅の軸は、図４にさらに示すように、実質的に弓形、半円形、または半卵形を有する。このように、図１に写真で示す基部12は、その長さの軸に沿って拡張する弓状構造と、その幅の軸に沿って拡張する弓状構造とを含む。

図に示した態様において、その長さおよび幅の軸の双方に沿った弓状構造は、装置を用いる身体の一部の外形と相補的である。図に示した態様において、装置は、被験者の頭骨の側面から側面および前面から後面の弓状形状に適合する。

基部12の大きさは、回転の程度または長さの距離に関して記述することができる。基部12の長さの軸は、約270°未満で拡張するように、約360°未満に拡張する。例えば、図１および３に示す装置の基部12の長さの軸は、約180°回転して拡張する。基部の全体的な長さ（長さの軸に沿って測定した場合）は、被験者の体格、および装置を配置する体内の場所に応じて特定の被験者またはクラスの被験者に適合させることができる。装置のいくつかの態様は、基部の長さの軸に沿って約10〜約50 cmの範囲の長さの弓状構造を有する。成人のヒト被験者に関して、装置は、基部の長さの軸に沿って約20〜約30 cmの範囲の長さの弓状構造を有してもよい。基部の長さの軸に沿って長さ約26 cmの弓状構造を有する装置は、装置を被験者の頭骨の外部に配置する場合、ほとんどの成人に用いるために十分であることが判明した。

長さの軸と同様に、基部12の幅の軸は、約270°未満、約180°未満、または約90°未満に拡張するように、360°未満拡張する。例えば、図１および４に示す装置の基部12の幅の軸は、約45°回転して拡張する。

さらに、基部の全体的な幅（幅の軸に沿って測定した場合）は、被験者の体格、および装置を配置する体内の場所に応じて、特定の被験者または被験者のクラスに適合させることができる。装置のいくつかの態様は、幅の軸に沿って約２〜約15 cmの範囲の長さの弓状構造を有する。成人ヒト被験者の場合、装置を被験者の頭骨の外部に配置する場合、装置は、幅の軸に沿って約５cmの範囲の弓状構造を有してもよい。

基部の大きさ−長さの軸または幅の軸のいずれかに沿った回転の程度、または長さの距離で測定した場合−は、基部が実質的に環状または卵形のままである限り、特定の被験者または使用方法に適合するように改変することができる。例えば、基部12の凹面の第一の側面19は、被験者の頭蓋と相補的となるように成形することができる。

拡張部14は、基部12へのおよび基部12からの電流路を提供する。図１〜４に示す態様において、拡張部は、被験者の脳における表面荷電のような、被験者の組織における表面荷電の形成を減少させるために、基部の放射状に伸長する２つの成分を有する。この表面荷電は、基部のコイル部分によって形成される電場の強度を妨害または減少させうる。図１の態様は、三角形または上方に収束する拡張部14を用いることによってこの目的を達成する。拡張部14は、第一および第二の伸長要素26、28を含む。要素は、基部12の長さの軸に沿って空間的に離れた位置で基部12に接続される第一の組の内部末端30、32を有する。図１において、第一の伸長要素26は、基部12の第一の末端22に隣接する基部12に接続した第一の内部末端30を有し、第二の伸長要素28は、基部12の第二の末端24に隣接する基部12に接続する第一の内部末端32を有する。これらの要素26、28の残りの部分34、36は、基部12から離れるように拡張して、互いに収束する。

図１の態様において、第一および第二の内部末端30、32は、基部12の中心部を通して連結されて、三角形の形状を形成する。この三角形を図３においてさらに説明する。しかし、拡張部は、拡張部が少ない放射状成分を提供して、基部12のコイルによって産生された電場の干渉を減少させる限り、三角形以外の形状であってもよい。例えば、三角形の拡張部14は、拡張部14において電気コンダクターを通して電流を流れさせ、図１および３に絵で示したヒトの頭骨のような、被験者の身体の部分に実質的に接する方向で基部12に達する。拡張部と被験者の身体の部分とのあいだの類似の実質的に接線の関係は、他の形状を有する拡張部によって同様に得てもよい。

拡張部は、異なる要素よりむしろ一体型の要素を含んでもよい。例えば、図１および３に説明した態様と類似の装置は、二つの異なる伸長要素26、28よりむしろ一体型拡張要素を用いて作製することができると思われる。拡張部はまた、三つまたはそれ以上の要素を含んでもよい。さらに、拡張部は、基部上の中心に配置してもよく、または基部に対して中心からずれて配置してもよい。

三角形の拡張部を用いる場合（一体型要素または複数の要素で構成されるかによらず）、この三角形の部分は、三つの内角を含むと考えられる。例えば、図１に示される拡張部（上記）は、第一の要素26の内部末端30と基部12とによって形成された第一の角、第二の要素28の内部末端32と基部12とによって形成された第二の内角、および二つの要素26、28の残りの部分34、36によって形成された第三の角を有する。これらの三つの角は、測定した場合に同等または異なる角度であってもよい。多くの態様において、角は全て約90°未満であり、いくつかの態様において、角度は全て約75°未満である。特定の態様において、三角形は三つの角度のそれぞれが約60°である二等辺三角形に近似する。しかし、第一および第二の角度は、部分的に環状の基部が何らかの弓状構造を提供するために、60°未満であってもよい。例えば、図３に示される三角形の拡張部14は、それぞれが約60°である三つの内角を有する。図３の第三の角度が60°であっても、第一および第二の内角は基部12の上方の弓状構造のためになおも60°未満となると思われる。

拡張部はまたブレースを含んでもよい。ブレースは、何らかの構造的安定性を提供して、拡張部を支える可能性があり、コイルの中を電流が通過する際のいくつかの別の経路となる可能性がある。例えば、図１に説明した装置11の拡張部14は、第一および第二の伸長ブレース38、40を有し、それぞれのブレースは第一の末端42、46および第二の末端44、48を有する。第一のブレース38の第一の末端42は、第一の伸長要素26の内部末端30に隣接してカップリングして、第一のブレース38の第二の末端44は基部12にカップリングする。第二のブレース40の第一の末端46は、第二の伸長要素28の内部末端32に隣接してカップリングして、第二のブレース40の第二の末端48は基部12にカップリングする。この特定の態様において、ブレース38、40は、伸長要素26、28のそれぞれの内部末端30、32のあいだで基部12にカップリングする。この特定の態様において、ブレース38、40、伸長要素26、28、および基部12も同様に三角形の形状を定義する。しかし、その他の態様では、ブレースを伸長要素および／または基部の異なる部分にカップリングさせてもよく、またはそのようなブレースを全く含めなくてもよい。

図１に示した態様において、基部は、実質的に平行、弓状、伸長した、縦方向に伸長した、側面方向に空間を有するフレーム部材21および23の対を含む。これらの正確な構造を図３に示す。縦方向のフレーム部材21および23のあいだに拡張して相互接続するのは、10個の伸長した弓形の横方向のフレーム部材１、２、３、４、５、６、７、８、９、10である。図１に認められるように、部材１〜10は、縦方向のフレーム部材21と23の長さに沿って空間的に離れており、縦方向のフレーム部材21および23にその反対側の末端でカップリングして、一般的に右方向に伸長する。弓状の横行フレーム部材１、２、３、４、５、６、７、８、９、10は、基部12の全体的な長さおよび弓状の横行フレーム部材の数に応じて、約１mm〜約５cmのような如何なる適した距離互いに空間的に離れていてもよい。二つの隣接する弓状の横行フレーム部材１、２、３、４、５、６、７、８、９、10間の距離は、他の二つの弓状の横行フレーム部材１、２、３、４、５、６、７、８、９、10のあいだの距離と同じであってもよく、または異なっていてもよい。特定の態様において、弓状の横行フレーム部材１、２、３、４、５、６、７、８、９、10は、距離約１cm互いに離れている。

しかし、もう一つの態様において、縦方向に拡張して側方に空間のあるフレーム部材21と23は、その全体の長さに沿って実質的に平行ではない。この平行でない方向は、基部に沿った横行要素の長さを変化させることによって行ってもよい。例えば（そして限定されない）、基部の第一の末端近傍の横行要素は、基部の第二の末端近傍の横行要素より短くてもよい。

拡張要素26は、伸長した、実質的に平行な空間的に離れた拡張フレーム部材50と51の対を含む。拡張要素28には、伸長した実質的に平行な空間的に離れた拡張フレーム部材52と53の対が含まれる。部材51および53の下位末端は、縦方向のフレーム部材23上の空間的に離れた位置でカップリングして、部材50および52の末端の下位対は、縦方向のフレーム部材21上の空間的に離れた位置でカップリングする。三つのスペーサー部材58、60、および62は、そのあいだに選択された空間を維持するためにフレーム部材50、51、52、53のあいだに拡張する。

ブレース38には、その上部末端でフレーム部材50および51に、そしてその下位末端で縦方向のフレーム部材21および23にそれぞれカップリングし伸長して側方に空間のある要素54と55の対が含まれる。同様に、ブレース40には、その上部末端の組で拡張フレーム部材52および53に、そしてその下位末端で縦方向のフレーム部材21および23にそれぞれカップリングし伸長して側方に空間のある要素56および57が含まれる。

図１〜４に説明した態様には、基部から放射状に拡張して拡張部14を形成する最小数の成分が含まれる。もう一つの態様において、拡張部14には、下記により詳細に説明するように、図８〜11に説明した態様のような放射状に拡張するより多数の成分が含まれる。

上記のように、装置は、フレームと電導性のコイルとを含む。いくつかの態様において、フレームそのものがコイルとして機能してもよい。しかし、他の態様において、コイルは装置の一部として異なる構造を含み、多数のコイルさえ含んでもよい。下記により詳細に考察するように、図２は、図１に示した態様について可能性がある一つのコイルの形状に関する電気回路図である。

特定の態様において、コイルは金属製の針金のような電導性材料の一つまたはそれ以上の巻線を含む。これらの巻線は電気交換器を含む。これらの態様において、巻線はフレームに関連する；例えば、巻線を形成する針金がフレームの如何なる電導性部分にも接しない限り、針金をフレームに沿って並べる、フレームに載せる、またはフレームの内側に配置してもよい。そのような形状を図５に示し、これは図１に示した基部12を通しての断面図を示す。

図５において、例としてのフレーム要素64および電導性針金66は、プラスチックまたはゴムのような絶縁材料68によって周囲を取り囲まれて示される。フレームが電導性材料で構成される場合、針金66はフレーム要素64とは空間的に離れている必要があり、絶縁材料68の層によってフレーム要素64と離れていてもよい。さらに、図１に示した態様の基部12または伸長部14の他の部分を通しての断面図は、フレーム上の巻きの配置に応じて、複数の針金を示す。いくつかの態様において、巻線は、伸長要素、ブレース要素、またはその双方に関連している。特定の態様において、巻線は各伸長要素および各ブレース要素に関連している。

図２は、図１に示した態様における電導性針金と電流とを示す電気図の略図である。図２において、A-JおよびAA-JJと呼ばれる点は、基部に関連しており、点Q-Vは拡張部分に関連している。点UおよびVは電源によって生じた電流の電気的入力に対応する（示していない）。図２の回路図を手引きとして用いると、図１の態様に関してどのようにコイルを構築すべきかを理解することができる。例えば、図１によって示される装置11は、10個の伸長した弓状の横行フレーム部材１〜10に沿って基部の弓の幅方向に拡張する１〜10と番号をつけた巻線10個を有するコイルを含みうると考えられる。表１は、巻線のそのような配置を要約する。

しかし、装置のもう一つの態様は、10個以上または10個未満の巻線を有するコイルを含むと考えられる。さらに、巻線はそれぞれの巻線に関して異なる針金のような単一の針金または複数の針金を含みうる。いくつかの態様において、異なる巻線は異なる数の針金を有してもよい。いくつかの態様において、コイルの異なる巻線は連続して接続される。しかし、もう一つの態様において、巻線は平行に接続される。または図１および２によって説明される装置は、コイルが適当な回路を含む限り、電導性フレームを含むコイルのような１回の巻線を含むコイルによって形成されうると考えられる。

図２の回路図によって示される装置コイルは変換器で構成される。しかし、装置はまた、図２に示す回路のような適当な回路を生じるために、抵抗器、インダクター、またはコンデンサのような他の電気成分を含んでもよい。他の電気成分が特定の態様に関して必要であるか否かは、用いる発生装置の種類、回路を流れる電流の周波数、アンペア数、および電圧；変換器の抵抗；ならびに回路を活性化するタイミング（しかしこれらに限定されない）を含む、いくつかの要因に依存すると思われる。

図１および２によって示される特定の態様は、２つの主な部分を含むコイルを有する：すなわち、部分的に環状または卵形の基部12に関連した部分と、拡張部14に関連した部分。この態様において、基部を含むコイルの部分の長さはいくつかの横行フレーム要素１〜10にコイルを関連させることによって基部の幅の軸と実質的に平行な方向を向く。コイルのこれらの横行片は、図２における回路図の断面１〜10に対応する（すなわち、経路A-AA、B-BB、C-CC、....H-HH、I-II、およびJ-JJ）。そのような態様において、基部の中を流れる電流の有意な部分がこれらの片の中を流れ、したがって、図１に示す参考z軸に実質的に沿った方向を向く。さらに、図３および４に示すように、基部に関連したコイルの部分は、被験者の頭骨の表面に対して相補的に接する。特定の態様において、横行フレーム要素１〜10に関連した（すなわち、基部の幅の軸と実質的に平行な）コイルの全長は、基部に関連したコイルの残りの長さ（すなわち、基部の長さの軸に対して実質的に平行な残りの長さ）より長い。これらの態様において、基部を流れる電流の大部分は、図１に示す参照z軸に実質的に沿った方向を向く。

装置はまた、被験者に面する基部12の第一の側面または下面19に隣接して配置されるクッションを含んでいてもよい。布、フォーム、またはゴムのような適した材料で形成されるクッションは、装置を被験者に用いる場合に、被験者にとってさらに快適な方法を提供する可能性がある。さらに、図５に示すように、装置はまた、フレームとコイルとを覆うプラスチックまたはゴムのようないくつかの非電導性材料を含んでもよい。

装置はまた、拡張部14の一つまたはそれ以上の要素周囲に配置された遮へい物またはスクリーン（分かりやすくするために示していない）を含んでいてもよい。この遮へい物またはスクリーンは、電気が拡張部14においてコイルの部分の中を流れる場合に形成される磁場を阻害または遮断することができる。拡張部によって形成される磁場は、基部12におけるコイルの部分によって形成される磁場を妨害しうるため、拡張部14によって形成される磁場を遮へいすれば、基部12によって形成された磁場による干渉を減少させることができ、したがって、基部12の磁場によって電導性媒体において誘導された電場の強度を増加することができる。唯一の非制限的な例として、下記の実施例３および図12〜13は、拡張部14の帰路を遮へいする効果を示している。磁場を阻害することができる如何なる適したスクリーンまたは遮へい物も用いてもよいが、いくつかの態様において、磁場を効率的に遮へいすることが知られているミューメタル（mu metal）のような金属をスクリーンとして用いる。スクリーンは、拡張部14の要素の一つ、いくつか、または全ての周囲を取り巻くミューメタルの被覆；拡張部14によって形成された磁場および電場が基部12によって形成された場を妨害しないようにする拡張部14内に間欠的に配置された金属の平らな円板；または拡張部14を実質的に封じ込める封入物（しかしこれらに限定されない）を含む如何なる適した大きさまたは形状であってもよい。この遮へいは、拡張部によって生じた磁気の流れを遮へい物にそらせて、このように、基部部分によって形成された場の干渉を減少させる。

装置のもう一つの態様を、ヒトの頭部100に配置した図８〜10の11Aに示す。第一の態様（図１〜４）と多くの多くの方面で類似のように、このもう一つの態様は、基部12Aと拡張部14Aとを有し、この場合、基部12Aは第一の末端22Aおよび第二の末端24Aを有し、その長さおよび幅の軸に沿って実質的に弓状の半円形、または半卵形を有する。しかし、この態様において、拡張部14Aには、放射状に拡張した伸長要素26、28ではなく、放射状に伸長した複数の拡張要素110、112、114、....158、160を有する（図１、３および４を参照のこと）。この態様には、26個の放射状に拡張する伸長した拡張要素110、112、114、...158、160が含まれるが、もう一つの態様は、異なる数のそのような伸長した拡張要素を用いてもよい。説明したように、放射状に拡張する伸長要素110、112、114、...158、160は、４つの扇様のグループ170、172、174、176に集められ、伸長要素134および136は、側方要素180および182によって接続される。

図９に示すように、伸長要素110、112、114、...158、160は、破線で示すように、基部12Aから実質的に直交して拡張してもよく、または角度θでこの直交方向から斜めになっていてもよい。中心からはずれる程度（θ）は、約45゜未満、または約30゜未満のような、基部のいずれかの側面に対して60゜までであってもよい。特定の態様において、中心からはずれる程度は約20゜である。伸長要素の全て、いくつかが中心からはずれていてもよく、または中心からはずれなくてもよい。いくつかの態様において、もう一つの伸長要素は中心からはずれている。例えば、伸長要素112、116、120、...156、160は、中心から20°はずれていてもよいが、伸長要素110、114、118、...154、158は基部12Aと実質的に直交した方向であってもよい。

図１、３および４に示した拡張部分と同様に、図８〜９に示した拡張部は、一体型の要素または複数の成分の構築物であってもよい。

図１、３および４に示した基部12と同様に、図８〜９に示した基部12Aは、実質的に平行な弓状で伸長して縦方向に伸長して側方に空間があるフレーム部材21Aおよび23Aの対を含む。縦方向のフレーム部材21Aと23Aのあいだを拡張し、相互接続するのは、26個の伸長した弓状の横行フレーム部材210、212、214、...258、260である。

表面荷電の量、および刺激される被験者の体内のより深部組織に及ぼす表面荷電の影響は、放射状の成分を含む電気成分の全体的な長さおよび位置に依存する。この態様では、図１〜４に示す態様と比較すると、そのような放射状要素の全体的な長さは減少して、被験者の身体からのその距離は増加する。言い換えれば、基部に関連するコイルの全長に対する基部から放射状に拡張するコイルの全長の比は、図１〜４に示した態様のような他の態様における対応する比より小さい。

他の拡張要素の例である図９に示す拡張要素を参照すると、これは、伸長した実質的に平行な空間的に離れた伸長拡張フレーム部材310および312の対を含み、それぞれのフレーム部材は側方に空間のあるフレーム部材21Aおよび23Aの一つに接続している。310のような拡張フレーム部材の第一の末端は、フレーム部材21A上の空間的に離れた位置に接続するが、312のような拡張フレーム部材の第一の末端は、フレーム部材23Aの空間を隔てた位置に接続する。310および312のような拡張フレーム部材の第二の、または外側の末端は、314のような横行スペーサーフレーム部材によって連結される。

この第二の態様において、基部12Aには、第一の態様の横行要素１〜10個と比較して（図１を参照）、26個の横行要素210、212、214、...258、260（これは「小片」と呼んでもよい）が含まれる。この第二の態様の拡張部14Aには、４つの扇様集団170、172、174、176に分けられる26個の伸長要素110、112、114、.....158、160が含まれる。これらの伸長要素110、112、114、.....158、160は、特定の横行要素210、212、214、...258、260に隣接する位置で基部12にカップリングする。例えば、図８に示すように、伸長要素110、112、114、116、118および120は横行要素222に隣接する基部12Aにカップリングする；伸長要素122、124、126、128、130、132、および134は、横行要素226に隣接する基部12Aにカップリングする；伸長要素136、138、140、142、144、146、および148は、横行要素244に隣接する基部12Aにカップリングする；ならびに伸長要素150、152、154、156、158、160は、横行要素248に隣接する基部12Aにカップリングする。しかし、もう一つの態様において、それぞれの伸長要素は、異なる配置で基部にカップリングしてもよい。それぞれの伸長要素は、単一の横行要素に隣接する基部にカップリングしてもよく、または異なる数の伸長要素をひとまとめにして、特定の横行要素に隣接する基部にカップリングしてもよい。例えば（そして制限なく）、伸長要素の対を１つおきの横行要素に隣接する基部にカップリングさせてもよく、または多数の伸長要素の群を６個の個々の横行要素に隣接する基部にカップリングさせてもよい。

個々の扇状の170、172、174、および176内の伸長要素110、112、114、...158、160は、互いに規則的に空間的に離れて、または互いに角度をつけて配置してもよい。例えば（そして制限なく）、図８に示すように、扇状の170および176の伸長要素は、互いに空間的に離れているかまたは約８°の角度をなすが、扇状の172および174の伸長要素は、互いに空間的に約６°離れて存在する。

第一の態様におけるように、縦方向に拡張して側方に空間のあるフレーム部材21Aおよび23Aは、互いに実質的に平行な方向を向いてもよく、または非平行方向に配置してもよい。

図11は、図８に示す態様の巻線の中を流れる電流の略図であり、参照数値は図８〜10に示す特定の構造に対するこれらの巻線に相関する。図11は、真の意味での回路図ではない−この図は単に、個々のコイルの巻線が回路を含む、コイルの個々の巻線から装置のコイルがどのように形成されるかを示しているに過ぎない。分かりやすくするために、装置全体の一部のみを示す。さらに、図11は、電流の唯一の例としての非制限的なパターンを示す。他の態様は、巻線の配置が異なるために異なるパターンの電流を示す可能性があり、特定の態様において、巻線は連続して接続され、基部の小片の中を通過する（すなわち側方フレーム部材のあいだの基部の横行要素に関連した巻線の中を流れる）電流は、同じ方向を流れる。

図11に示すように、電流の方向は、基部12Aの26個の小片の全てにおいて同じであり（図８〜10に示す）、側方フレーム部材23Aから側方フレーム部材21Aの方向に流れる。一般的に、コイルのこの部分への電流はZに到達して、I₂まで移動し、小片J₂-J₁、K₂-K₁、L₂-L₁、およびM₂-M₁の中を流れる。それぞれの小片（A₂-A₁、B₂-B₁、...M₂-M₁）は、扇様グループ170、172、174、176の一つの伸長要素110、112、114、...158、160の中を通過する帰路を有する。例えば、小片J₂-J₁の帰路は伸長要素140であってもよい（図11には示していない）。そうすればI₂への電流は小片H₂-H₁の中を流れてI₁に達する。ここから、電流は拡張部を上昇してWに達し、次にXに達した後（W-Xの線は、２つの伸長要素148、および150の接続部を表す）、G₂に達した後小片F₂-F₁、E₂-E₁、D₂-D₁、C₂-C₁、B₂-B₁、A₂-A₁の中を通過してG₂に戻る。小片F₂-F₁、E₂-E₁、D₂-D₁、C₂-C₁、B₂-B₁、A₂-A₁のそれぞれは、伸長要素150〜160からなる扇様集団176の伸長要素の中を通る帰路を有する。例えば、小片F₂-F₁の帰路を、図８〜９の伸長要素260に対応するG₁-U-V-G₂路によって示す。その他の小片（例えば、E₂-E₁、D₂-D₁、C₂-C₁）は、G₂-G₁小片に固定された他の伸長要素（図11には示していない）の中を通る帰路を有する（すなわち、図８〜９に示す扇様集団176の一部である伸長要素）。小片および帰路の中を流れた後、電流はG₁に達して、Wに至り（示した矢印に対して別の巻線を通して）、Xに達してI₂に戻り、その後I₁に達して、Yを通して装置のもう一方の末端（示していない）に戻る。

電流の帰路は、小片の反対方向に存在するが、基部12Aに関連するコイルのこれらの帰路（すなわち、横行要素210、212、214、...258、260に沿って）は、拡張部14Aの図９に示す314のような横行スペーサーフレーム部材に帰路を関連させることによって基部12Aから物理的に空間的に離れている。小片と帰路のあいだの物理的距離は、約１cm、５cm、10 cm、またはそれ以上のような如何なる適した距離であってもよい。特定の態様において、帰路は少なくとも約５cmの距離小片から離れている；例えば、図９に示すように、横行要素210の基部12Aにおけるコイルの部分と、横行スペーサーフレーム部材314に沿ったコイルの帰路のあいだの物理的距離は少なくとも約５cmである。

図１〜４に示した第一の態様と同様に、この第二の態様には、例えば、基部12Aを被験者の頭骨の形状に適合させるために柔軟性または展性の材料で構成されたフレームを含んでもよく、被験者にさらに快適な方法を提供するために基部12Aの下側に隣接して配置されたクッションを含んでもよい。さらに、装置は、拡張部14Aの磁場を阻害または遮断する遮へい物またはスクリーンを含んでもよい。

このように、図１〜４および８〜10に示す態様のように、基部12Aおよび拡張部14Aの成分は、電気変換器であるフレーム要素を用いることによって、または変換器（針金のような）をフレームに関連させることによって（図５に示し、上記のように）電気コイルを形成してもよい。拡張部14Aは、基部12Aの中を流れる電流のための帰路となる。第一の態様の場合のように（図１〜４）、この第二の態様の拡張部14Aは、被験者の体組織に及ぼすその電気的作用を減少させるために、帰路の中を流れる電流を被験者から離れて配置する。コイルが電導性材料（例えば、金属帯または針金）の一つまたはそれ以上の巻線を含む態様では、針金およびフレーム要素は図５に示す構造を示してもよい。

上記の装置は、多様な方面において、そして被験者の身体の如何なる部分にも用いることができる。神経組織および筋肉組織（しかしこれらに限定されない）を含む如何なる電導性の組織も、装置によって刺激してもよい。装置は、被験者の身体を貫通することができる様々な磁場を作製して、これが身体の電導性組織内で電場を誘導することができる。これらの誘導された電場はそのような電導性組織を刺激する可能性がある。例えば、装置は、脳において認められる場合のように、中枢神経系を含むニューロンを含む、被験者の体内のニューロンを脱分極させることができる。

装置は、如何なる適当な被験者について用いてもよい。例えば、装置は、神経生理もしくは心血管病態のような特定の生理条学的病態を治療もしくは調べるために、または身体の生理学を研究するためにヒトについて用いてもよい。装置はまた、イヌ、ネコ、齧歯類、または霊長類のような哺乳類を含む他の種類の動物についても同様に用いてよい。

磁気刺激は血流を変化させることができるため、装置は、被験者の身体の様々な組織において心血管病態を研究または治療するために用いてもよい。例えば、図１に示す装置を、卒中を有するリスクがある被験者等の被験者の脳内の血流をモニターまたは調節するためにTMS応用において用いてもよい。さらに、装置は、卒中または血管のその他の遮断のような心血管事象後の再還流の際の血流をモニターまたは調節するために用いてもよい。装置は、心臓、肺、腎臓、肝臓、および脊髄のような脳以外の身体の部分、組織、または臓器に関連した心血管病態を研究または治療するために用いてもよい。

この装置は、脳の深部領域に関連した神経生理学的病態を研究または治療するために用いてもよい。「神経生理学的病態」は、臨床性うつ病、非臨床性うつ病、ジステミア（dysthemia）、双極性障害、薬物耽溺、物質乱用、不安障害、強迫性障害、またはパーキンソン病（しかしこれらに限定されない）のような病的な神経生理学的病態または神経生理学的障害であってもよい。装置はまた、薬物耽溺、またはアルコール依存症のような他の物質乱用のような耽溺を治療するためにも有用である。

脳の深部領域には、側坐核が含まれ、腹側被蓋核；小脳扁桃；ならびに内側、前前頭、および帯状皮質のような他の構造が含まれてもよい。前前頭および帯状皮質は、密な神経線維によって側坐核につながっており、これらの線維は、物質の乱用および薬物耽溺において重要な神経生理学的役割を果たしていることが知られている。したがって、これらの深部神経線維を刺激することは、そのような神経生理学的病態を治療するために装置を用いる一つの方法である。

装置コイルによって形成された磁場の焦点は、基部を変化させることによって変更してもよい。例えば、基部の幅を狭くすれば、磁場は狭まり、このようにより狭い組織領域を刺激することができる。さらに、基部の幅を狭めると、コイルによって生じる磁場の深さが減少すると思われる。したがって、十分に焦点が狭められたコイルは、選択した身体の領域を刺激することができる。例えば、図１〜５に具体化し、それに従って配置したコイルは、基部の下の脳および冠状縫合断面の深部領域を刺激することができるが、脳の前頭または後頭葉は刺激しないと思われる。しかし、被験者の頭骨の異なる部分（例えば、頭骨の基部、被験者の頭の後ろを包み込む部分）にコイルを配置すると、脳の異なる部分（例えば、後頭葉）が刺激される可能性がある。

装置を用いる一つの態様は、神経生理学的病態を有する、または有するリスクがある被験者を特定する段階；上記の電導性コイル（すなわち、凹面の第一の側面が被験者の身体の一部に向けられている部分的に環状または卵形の基部を有する）を提供する段階；コイルを被験者の頭骨の外部に配置する段階；コイルに電源を接続する段階；およびコイルを活性化して被験者の脳の深部領域を刺激する段階を含む。

装置はまた、神経生理学的病態を有する被験者を特定する段階および電導性コイル（上記の通り）を提供する段階によって神経生理学的病態を治療するために用いてもよい。コイルを被験者の頭骨の外部に配置して、コイルを活性化して被験者の脳の深部領域を刺激する。特定の態様において、コイルは、凹面の第一の側面が被験者の身体の一部に向けられる部分的に環状または卵形の基部部分を有し、第一の側面と反対側の第二の側面から外側に突出する拡張部分を有する。もう一つの態様において、コイルは基部部分と拡張部分とを有し、拡張部は、放射状に伸長した拡張要素を含む。

もう一つの態様は、被験者を特定する段階；上記の電導性コイルを提供する段階、コイルを被験者の頭骨の外部に配置する段階；コイルに電源を接続する段階；コイルを活性化して、被験者の脳の深部領域を刺激する段階；ならびに脳の機能の位置を特定して特徴を調べる段階を含む。例えば、コイルは、脳の他の領域に及ぼす深部脳刺激の影響を調べるために、磁気共鳴画像（MRI）または陽電子射出断層撮影（PET）のような脳の造影法と併用して用いることができると思われる。さらに、被験者に、話す、読む、書く、または眠る（しかしこれらに限定されない）を含む何らかの作業を行うように指示してもよい。例えば、脳において関連する神経回路を調べるために、腕または脚のような特定の身体の部分を動かすように被験者に指示することができる。もう一つの例として、視覚に関連した脳の神経回路を調べるために、被験者に、異なる強さの光、または異なる形状を見るように指示することができる。さらに、より高等な脳の機能を調べるために、被験者に何らかの数学的作業を行うように指導することができる。もう一つの例として、コイルは、ヨガ、瞑想、または祈りのような個人的な精神的習慣の影響を調べるために脳の造影と併用して用いてもよい。

さらにもう一つの態様は、被験者の脳を非侵襲性に刺激することを含む。「非侵襲性に」とは、脳の深部領域を含む被験者の脳を、被験者の頭骨の外部に配置した装置コイルによって刺激することができることを意味する。言い換えれば、脳の深部領域を含む被験者の脳は、口のような被験者の頭の開口部にコイルを配置せずに、または外科的技法によって被験者の頭骨にコイルを導入せずに刺激することができる。

いくつかの態様において、電磁パルスの列を被験者に投与する。持続が約50〜2000マイクロ秒である個々のパルスがコイルによって産生され、パルス長は、刺激される組織、特定のコイルの構築もしくは形状、または被験者の生理的病態（しかしこれらに限定されない）を含む様々な要因に従って変更してもよい。約1000マイクロ秒という持続は神経組織を刺激することができる。

パルスの列は、一定期間にわたって与えられる適当数の個々のパルスを含んでもよい。いくつかの態様において、約１〜約100パルスの列を与える。特定の態様は、100個未満、75個未満、25個未満、または25〜50、10〜75、５〜100、５〜25、25〜75、または75〜100個のような特定の範囲内の多数のパルスを用いる。もう一つの態様では、75、60、50、40、25、10、５、１、または１〜100個の如何なる特定数のパルスが用いられる。

パルスは数と共に周波数が変化してもよい。特定の態様は、約１〜約100 Hzの範囲の周波数を用いるが、他の態様は、約５〜約60 Hz、またはより詳しくは約20〜約30 Hzのパルスを用いる。さらに、パルスの列内のパルスを異なる周波数で与えてもよい。

いくつかの態様において、より間隔の狭いパルスを作製することができる２つまたはそれ以上の刺激チャンネルをコイルに接続してもよい。そのような態様において、パルス間の間隔は、持続が１ミリ秒またはそれ以上であってもよい。多数の刺激チャンネルを用いると、脳の異なる領域を刺激するために異なる強度または周波数を用いることによって脳の示差刺激を行うことができると思われる。

パルスの列は、約１〜約120秒のような特定の期間与えてもよい。特定の態様は、約２〜約60秒間の期間、より詳しくは約20〜約30秒の期間、電磁パルスの列を与えることを含む。パルス間の遅延は変化してもよいが、特定の態様には期間が類似した遅延を用いる。

被験者の特定の病態を治療または研究するこの方法の態様はまた、セッションのあいだに電磁パルスの列（または複数の列）を与えることを含んでもよい。完全な治療もしくは試験療法は無期限に行ってもよく、または１〜８週間、２〜７週間、３〜６週間、４〜５週間、１週間未満、もしくは８週間以上のような一定期間にわたって約１〜約30セッションのような特定の回数のセッションを含んでもよい。もう一つの態様では、１回のセッションを用いる。

複数の列は列内間隔を有してもよい。特定の態様は、約５〜約240秒、約20〜約180秒、または約60〜約120秒を測定する列内間隔を有する。ちょうど一つの非制限的な例として、複数の電磁パルス列を以下のように与えてもよい：50パルスの列を60秒間；列のあいだの間隔は40秒間；20パルスの列を120秒間；列のあいだの間隔は30秒間；30パルスの列を60秒間；列のあいだの間隔は10秒間；30パルスの列を90秒間。

被験者が、神経生理学的病態のような特定の病態を有する場合、セッションは臨床改善が認められるまで継続してもよい。例えば、被験者は臨床的うつ病を有するヒトであって、治療は、被験者が臨床的うつ病に関する試験を行わなくなるまで持続してもよい。もう一つの例として、被験者は薬物耽溺を有するヒトであって、治療はその人が自身の薬物渇望を管理できるまで特定の回数のセッションを継続してもよい。

パルスの回数、列の長さ、および列のあいだの間隔は、被験者の生理的病態；被験者の特徴；治療または調べるべき病態；コイルの構築；電磁パルスを作製するために用いられる発生装置または電源の種類；または用いる発生装置もしくは電源の数（しかしこれらに限定されない）を含む様々な要因に従って変化してもよい。

実施例
以下の実施例は、本発明の詳しい特徴を説明するために提供される。本発明の範囲は、これらの実施例によって示される特徴に制限されるべきでない。

実施例１ 経頭蓋磁気刺激コイルの検討
コイルは、本発明に従って深部脳刺激のために設計した。

深部脳領域を刺激するためのTMSコイルを開発するために、いくつかの要因を検討した。TMS刺激の場合、短いが強い電流を針金のコイルに通過させなければならず、それによって時間と共に変化する磁場（B）が得られる。磁場（B）に対して垂直な方向を有し、ベクトルポテンシャル（A(r)）の時間-変化率に比例する電場（E）が、磁場（B）内のあらゆる点で形成される。磁場（B）によって誘導された電場（E）は、興奮性の神経細胞において活動電位を誘導し、特定の閾値を超えた電場（E）が形成されれば、次に神経回路の活性化が起こる。得られた誘導電流は電場（E）の大きさに比例する。

以下の式により、位置rにおけるベクトルポテンシャルA(r)は、針金（I）における電流Iに関連する：

式中、μ0＝4π*10^-7 Tm/Aはフリースペースの透過性、Tはテスラ、mはメートル、およびAはアンペアである。dl'の積分は針金の長さに対してであり、dl'は針金の要素、r'は針金の要素の位置を示すベクトルである。

針金（それぞれ、B_AおよびE_A）における電流から生じる磁場および電場は、以下の式によってベクトルポテンシャル（A）に関連する：
B_A＝▽×A(r) （２）
式中、▽は回転であり、および

式中、tは時間である。

これらの等式において、電流（I）は、時間に対して変化する唯一の変数である。したがって、電場E_Aは以下のように記述することができる：

と共に

脳組織は伝導特性を有するが、空気および頭骨はほぼ完全な絶縁体であるために、ベクトルポテンシャルは、脳表面での電荷の蓄積を誘導すると考えられる。この表面荷電（E_φ）は、もう一つの電場（E）の起源であり、以下のように表現することができる：
E_φ＝−▽φ
式中、▽は発散であり、φは表面静電荷電によって生じたスカラーポテンシャルである。

脳組織における総電場（E）は、これら２つの場のベクトルの総和である：
E＝E_A＋E_φ （６）
表面の静電場（E_φ）は、一般的に誘導場（E_A）に反対する。その結果、静電場（E_φ）の強度が増加すると、総電場（E）の強度が減少する。しかし、産生される表面荷電の量（したがって、E_φの程度）はコイルの方向に相関する。

電場（E）が頭骨の外部に配置されたコイルによって形成されれば、その場の特定の部分は、被験者の頭骨に平行または接線方向に存在し、電場（E）の他の部分は被験者の頭骨に垂直に存在すると考えられる。垂直の成分は、脳の表面で表面荷電（E_φ）を誘導すると考えられる。表面荷電（E_φ）の大きさが増加すれば、電場（E）の垂直な部分の大きさは減少する。十分に大きい表面荷電（E_φ）は、場の垂直な部分を完全に打ち消し、そのため、場（E）全体の平行な部分のみが残ると思われる。例えば、トフツ（Tofts, P.S）、Phys. Med. Biol. 35：1119〜28（1990）；トフツ（Tofts, P.S.）およびブランストン（Branston, N.M.）、Electroencephal. Clin. Neurophysiol. 81：238〜9（1991）を参照のこと。場の垂直な部分がこのように打ち消されるのは、適当な境界条件でのマックスウェル等式の直接的な結果である。

表面荷電（E_φ）が実際に存在すれば、頭骨の外部に配置されたコイルによって形成された総電場（E）の平行な成分が、組織内の強度を減少させる。例えば、平坦な均一な容量コンダクターとしての脳の単純なモデルの場合、表面の場は組織に対して垂直に配置された環状コイルに由来する場全体の強度を、表面に対して垂直で、コイルの中心を通過する線に沿って42％減少させうること（すなわち、コイルは組織に対してその端部に配置される）が報告されている。ロス（Roth, B.J.）ら、Muscle Nerve. 13：734〜41（1990））；トフツ（Tofts, P.S）およびブランストン（Branston, N.M.）、Electroencephal. Clin. Neurophysiol. 81：238〜9（1991）を参照のこと。

このように、如何なるコイルによって形成された垂直な電場が増加すると、より多くの表面荷電が誘導され、このように、組織における電場全体が減少する。したがって、深部脳の領域を刺激することができるコイルは、誘導された場の垂直な成分が減少して表面に平行な方向に有意な場の強度を生じる。図１〜５に示す態様は、実質的に環状または卵形の基部を用いることによって、これらの目的を達成するが、この場合、長さおよび幅の軸に沿ったコイルの部分は、ヒト被験者の頭骨に対して平行に存在する。

実施例２ 既知のコイル設計との比較
本発明に従って作製された既知のコイルは、皮質または末梢神経を刺激することができるが、そのような既知コイルによって誘導された電場はコイルからの距離が増加するにつれて減少する。例えば、直径9.2 cmの円形の既知のコイルによって誘導された電場は、生理食塩液を満たした体積コンダクターを用いて測定した。コイルは体積の表面に対して平行に配置した（すなわち、コイルは、体積に対してそれを端部に置くよりむしろ、体積に対して可能な限り平坦に置く）。マカビー（Maccabee, P.J.）ら、Electroencephal. Clin. Neurophysiol. 76：131〜41（1990）を参照のこと。コイルから2.5 cmの距離で誘導された場は、コイルから0.5 cmの距離で誘導された場の60％未満であった。その上、コイルから4.0 cmの距離で誘導された場は、コイルから0.5 cmの距離で誘導された場の40％未満であった。同上。

８の字コイルの場合、場の強度はより急速に減少する。例えば、８の字コイルは、それぞれが直径4.8 cmでコンダクター表面に平行に向いた（すなわち、平坦に配置される）２つの環を有し、コイルの中心から2.5 cmで場を誘導したが、これはコイルの中心から0.5 cmで場の約30％であった。同上。類似の結果は、誘導された電場の数学的計算においても得られた。コーエン（Cohen, L.G.）ら、Electroencephal. Clin. Neurophysiol. 75：350〜7（1990）を参照のこと。環状または８の字コイルの列を頭骨に平行に配置して用いれば、場合によっては、皮質の場の焦点性を改善することができるが、多数のコイルは、コイルからの距離が増加しても場の強度のこの減少を相殺しないと考えられる。ルオネン（Ruhonen, J.）およびイルモニエミ（Ilmoniemi, R.J.）、Med. Biol. Eng. Comput. 38：297〜301（1998）を参照のこと。

環状コイルを頭骨表面に垂直に配置すると（すなわち、頭骨に対してコイルを端部に立てる）、頭骨表面に対してコイルを平行に配置した場合と比較して、表面での場の強度と比較して、深部での場の百分率の強度が増加した。トフツ（Tofts, P.S）、Phys. Med. Biol. 35：1119〜28（1990））；トフツ（Tofts, P.S）およびブランストン（Branston, N.M.）、Electroencephal. Clin. Neurophysiol. 81：238〜9（1991））。しかし、脳の表面および深部領域の双方において、頭骨表面に対して垂直に配置したコイルは、頭骨表面に対して主として垂直な場を生じ、このように、より大きい表面荷電（E_φ）を生じるため、脳の表面および深部領域の双方における場の絶対的な大きさは、表面での荷電の蓄積のために減少する（実施例１に記述の通り）。

「スリンキーコイル」と呼ばれるもう一つのコイルは、８の字コイルと環状コイルのあいだの中間の方向におけるいくつかの巻線からなる。レン（Ren, C.）ら、IEEE Trans. Biomed. Engineering, 42：918〜25（1995）；チマーマン（Zimmermann, K.P.）およびシンプソン（Simpson, R.K.）、Electroencephal. Clin. Neurophysiol., 101：145〜52（1996）を参照のこと。被験者の頭骨の表面に配置すると、スリンキーコイルはコイルの中心近傍の脳の表面ではより大きい場の大きさとより大きい焦点性を生じる可能性があるが、環状および８の字コイルと同様に、スリンキーコイルは一般的に脳の深部領域を刺激するために十分な距離で電場を誘導しない。

本発明のコイルは、球状のコンダクターにおいて電場の分布のコンピューターシミュレーションを用いて他のコイルと比較した。コンピューターシミュレーションは、マテマチカプログラム（ウルフラム（Wolfram）、1999）を用いて行った。これらのシミュレーションにおいて、被験者の頭骨を、半径７cmの球状の均一な体積コンダクターとして形成した。球状の体積内部の特定の点での誘導された電場（E_A）および静電表面場（E_φ）を、イートン（Eaton）によって紹介された方法を用いていくつかのコイル形状に関して計算した。イートン（Eaton, H.）、Med. Biol. Engineering and Computing, 30：433〜40（1992）。

シミュレーションにより、垂直の電流成分を有するコイル形状において、表面荷電が蓄積されると、全体的な場の強度が減少する。表面静電場が存在すれば、如何なる点でも全体的な場の強度が減少するのみならず、距離が増加するにつれて、全体的な場の相対的強度の有意な減少に至る（表面での全体的な場の強度と比較して）。

図６は、頭部に対して垂直に配置した直径D＝5.5 cmの一巻きの環状コイルの誘導電場（四角）および総電場（三角）のz成分に関する場の強度E（V/mで測定）のプロットである。誘導および総電場のz成分は、その中心でコイルに対して接線方向に存在する成分である。電場は、ボルト／メートルで測定し、全ての計算における電流変化率はδI/δt＝10000アンペア／100マイクロ秒として得た。これらの成分を、コイルの中心を通過する表面に対して垂直な中心線に沿ってコイルからの距離の関数としてプロットする。

比較目的のために、図６のグラフはまた、「ワンストリップ」コイルと呼ばれる図１および２に示した１回巻いたコイル（例えば、巻線番号５）によって形成された全体的な場の強度のz成分を示す。上記のように、z成分は、その中心で小片に対して接線方向に存在する電場成分を意味する。頭骨表面近傍のワンストリップコイルの部分は、頭骨の表面に対して実質的に平行に存在し、このように、表面荷電はほとんど、または全く誘導されない。このように、全体的な場の強度は主として誘導された場の強度を表す。

図７は、それぞれの巻線が１本の針金である「ヘセドコイル」と呼ばれる図１および２（すなわち全て10個の巻線）によって示される完全なコイルとワンスリップコイルの場の強度を比較するグラフである。このグラフから示されるように、ヘセドコイルのこのバージョンは、コイルから６cmの距離で約60 V/mの誘導電場を生じることができ、このように脳におけるこれらの深さでのニューロンに関する閾値活動電位を超えることができる。巻線のいくつかまたは全てにおいて、より多くの針金を有するヘセドコイルの態様は、そのような距離でより強い電場を生じる可能性がある。

実施例３ 第二の態様の分析
実施例１および２と同様に、図８〜10に示すコイルの第二の態様を、脳の深部領域の刺激能に関して分析した。

半径７cmの電導性球を仮定して、上記のようにマテマチカプログラムを用いて、理論的コンピューター計算を行った。さらに、モデル頭骨内部の異なるスポットにおけるZ方向における電場を測定するためにピックアッププローブを用いて、ガラスで構築され、生理食塩液を満たしたヒトの頭骨のモデルの測定（平均直径：15 cm×18 cm×23 cm）を行った。全ての測定および計算に関して、電流変化率は10000アンペア／100マイクロ秒として得られた（これは標準的な市販の電気刺激装置内のほぼ最大電源である）。場はボルト／メートルで記述する。

理論的計算によれば、脳内の最大電場は、図８に示すように横行要素260の中心部に隣接していることが判明した。この理論的計算は、モデル脳の測定によって確認した。この領域は最大電場を表すため、脳内の特定の深さでの場の強度の百分率をこの位置と比較して測定した。モデル脳を用いて、ピックアッププローブは、横行要素260と210との中心のあいだの線に沿って移動し、理論的モデルを用いて類似の測定を行った。

図11および12に示すように、モデル脳（図11および12における「模型脳」として示され、チャート上の白丸で表す）において誘導された実際の電場は、理論的計算値（チャート上の黒丸で表す）と比較してわずかに低かった。図11は、実際の場の強度を示すグラフであるが、図12は、脳の皮質における最大の場の百分率として表した場の強度を示す。脳の皮質における最大の場は、横行要素260から１cmで測定され、これは図12における「小片26」として同定される。

コイルの特定の距離での理論的に予測された場の強度と、実際に測定された場の強度のあいだの非常にわずかな相違は、用いた実際のコイルが完全に柔軟なフレームを有しなかったこと、したがって横行要素210、212、214、...258、260の必ずしも全てがモデル頭骨表面に対して厳密に平行に配置されていないという事実に由来する可能性がある。さらに、用いた装置の拡張部は、隣接する伸長要素110、112、114、...158、160のあいだの間隔がより狭いことから、図８〜10に示した態様とは異なる。

金属片によって拡張部の回収路を遮へいする効果の理論的計算も同様に行った（これらの測定は既存のモデルについては行わなかった）。図11〜12に示すように、帰路周囲に（すなわち、拡張部を形成するフレーム要素のいくつかまたは全ての周囲に）金属製のスクリーンを置くと、コイルのこれらの部分によって誘導された磁場を含むことができ、したがって、コイルの基部によって誘導される電場による干渉を減少させる。さらに、これらの計算によって、そのような遮へいが、脳における如何なる場所でも誘導された全体的な場を増加させるのみならず、脳の皮質における表面の場の強度と比較して特定の深さでの場の強度を増加させることが示される。

本発明は、少なくとも２つの態様と結びつけて記述しているが、本発明の範囲は、如何なる特定の態様にも制限されないと解釈される。その代わりに、開示の説明および実施例は、全ての変更、改変、および同等物を含むと解釈され、それらは、特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲に含まれると考えられる。

ヒトの頭部に配置した装置の一つの態様の透視図を示す。 図１に示す装置において具体化した磁気コイルの電気図である。 図１の装置の前面図を示す。 図１の装置の側面図を示す。 図１に示した装置を5-5の線で切った断面の拡大図を示す。 図１および２において説明した態様における、コイルを１回巻いた既知コイルの、電場強度を比較するグラフである。 図１および２において説明した態様においてコイルを１回巻いた場合、および完全に巻いた場合の電場強度を比較するグラフである。 ヒトの頭部に配置した装置の第二の態様の透視図である。 図８の装置の前面図である。 図８の装置の側面図である。 図８〜９に示した装置の巻線の中を通る電流の部分図である。この略図は電流回路図ではない。分かりやすくするために、放射状に拡張する要素のごくいくつかを示す。 図８〜10に示した態様の電場強度の理論的計算値と実際の測定値とを比較するグラフである。 図８〜10に示した態様に関して、脳皮質における最大電場強度と比較した、電場強度の理論的計算値と実際の測定値とを比較するグラフである。

Claims (31)

1. 基部と拡張部とを含む、被験者の頭部の外部に配置して、頭部内に電流を誘導するために操作可能な電導性コイルであって、
   該基部は、幅の軸、長さの軸、及び被験者の頭部に相補的に構成された第一の側面を有し、該基部内のコイルが、それぞれの内部を流れる電流が同じ方向となるように幅の軸に沿って方向付けられた複数の刺激要素であって、該コイルが頭上に配置され通電された時に、被験者の頭部内に深部刺激の領域を生成する、刺激要素を含み、
   該拡張部は、基部の第一の側面とは反対の側面から外側に突出し、該複数の刺激要素内を流れる電流のための帰路を提供し、基部から外側に突出し、長さの軸に沿って距離をおいて少なくともいくつかの刺激要素から離れた位置で基部にカップリングする拡張要素を含む拡張部である、
   電導性コイル。
2. 拡張部の帰路が、複数の刺激要素内の電流の流れと反対の方向に電流を有するように構成される、請求項1記載の電導性コイル。
3. 拡張部内の少なくともいくつかの帰路が、基部において、各刺激要素から少なくとも5cm離れている、請求項1記載の電導性コイル。
4. 拡張部の少なくとも一部分の周りに配置される、拡張部において生成された磁場を阻害することが可能な遮へい物をさらに含む、請求項1記載の電導性コイル。
5. 複数の巻線を含む、請求項1記載の電導性コイル。
6. 拡張部が基部に対して中心からずれた位置に存在する、請求項1記載の電導性コイル。
7. 基部が柔軟なまたは展性である、請求項1記載の電導性コイル。
8. 複数の刺激要素が互いに離れている、請求項1記載の電導性コイル。
9. 少なくとも二つの拡張要素が互いに隣接して基部にカップリングする、請求項1記載の電導性コイル。
10. 拡張要素が互いに角度をつけて配置される、請求項1記載の電導性コイル。
11. 少なくともいくつかの拡張要素が、基部の直交方向から斜めになっている、請求項1記載の電導性コイル。
12. 基部と拡張部とを含む、被験者の頭部の外部に配置して、頭部内に電流を誘導するために操作可能な磁気刺激装置であって、
    該基部は、幅の軸、長さの軸、及び被験者の頭部に相補的に構成された第一の側面を有し、それぞれの内部を流れる電流が同じ方向となるように幅の軸に沿って方向付けられた複数の刺激要素であって、該磁気刺激装置が頭上に配置され通電された時に、被験者の頭部内に深部刺激の領域を生成する、刺激要素を含み、
    該拡張部は、基部から外側に突出する拡張要素を含み、該刺激要素それぞれ一つのための個々の帰路を提供し、少なくともいくつかの該拡張要素が長さの軸に沿って距離をおいて各刺激要素から離れた位置で基部にカップリングする拡張部である、
    磁気刺激装置。
13. 拡張部の帰路が、複数の刺激要素内の電流の流れと反対の方向に電流を有するように構成される、請求項12記載の磁気刺激装置。
14. 拡張部内の少なくともいくつかの帰路が、基部において、これらの各刺激要素から少なくとも5cm離れている、請求項12記載の磁気刺激装置。
15. 拡張部の少なくとも一部分の周りに配置される、拡張部において生成された磁場を阻害することが可能な遮へい物をさらに含む、請求項12記載の磁気刺激装置。
16. 基部および拡張部分が、一つまたはそれ以上の巻線を含む一つまたはそれ以上の電導性コイルの一部である、請求項12記載の磁気刺激装置。
17. 拡張部が基部に対して中心からずれた位置に存在する、請求項12記載の磁気刺激装置。
18. 基部が柔軟なまたは展性である、請求項12記載の磁気刺激装置。
19. 複数の刺激要素が互いに離れている、請求項12記載の磁気刺激装置。
20. 少なくとも二つの拡張要素が互いに隣接して基部にカップリングする、請求項12記載の磁気刺激装置。
21. 拡張要素が互いに角度をつけて配置される、請求項12記載の磁気刺激装置。
22. 少なくともいくつかの拡張要素が、基部の直交方向から斜めになっている、請求項12記載の磁気刺激装置。
23. 基部と基部の外側に突出した複数の拡張要素を含む拡張部とを含む電導性コイルを含む、
    被験者の身体部分の外部に配置して、身体部分内に電流を誘導するために操作可能な磁気刺激装置であって、
    該基部は、同じ方向に電流を伝えるように構成された複数の刺激要素を含み、
    該拡張要素は、刺激要素内の電流のための、該刺激要素から離れた帰路を含み、かつ
    該帰路内の電流によって身体部分に誘導される電気的作用は、磁気刺激装置が身体部分内で電流を誘導すべく作動される時に、該刺激要素内の電流によって身体部分に誘導される電気的作用より小さい、
    磁気刺激装置。
24. 基部が長さの軸と幅の軸とを有し、該基部内の刺激要素が、他の刺激要素から離れている、請求項23記載の磁気刺激装置。
25. 少なくとも二つの拡張要素が互いに隣接して基部にカップリングする、請求項23記載の磁気刺激装置。
26. 拡張要素が互いに角度をつけて配置される、請求項25記載の磁気刺激装置。
27. 複数の拡張要素が少なくとも二つの群の複数の拡張要素を含み、同じ群の該拡張要素が互いに隣接して基部にカップリングされる、請求項23記載の磁気刺激装置。
28. 拡張部を少なくとも部分的に封入する遮へい物をさらに含む、請求項23記載の磁気刺激装置。
29. コイルに電気的に接続した電源をさらに含む、請求項23記載の磁気刺激装置。
30. 基部が、被験者の頭蓋に相補的となるように形成された凹面の第一の側面を有する、請求項23記載の磁気刺激装置。
31. コイルが脳の深部領域内で電場を誘導するための手段を含む、請求項23記載の磁気刺激装置。

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