Flexible low-profile radio-frequency coils for concurrent transcranial magnetic stimulation and functional magnetic resonance imaging

The contribution of this thesis is a novel design of radio-frequency (RF) coils for simultaneous transcranial magnetic stimulation (TMS) and functional magnetic resonance imaging (fMRI). Previously, TMS and fMRI were interleaved by using a custom-built MRI coil that was mounted onto a TMS coil. Such design was capable of acquiring functional images with good signal-to-noise ratio (SNR). However, the RF coil provided limited image coverage since it was designed to be attached to a TMS stimulator in a single location. The here-reported design includes a coil array in a fixed position covering the entire brain – contouring to a subject's head – allowing the researcher to position the TMS anywhere without loss of signal. Moreover, coverage of the entire brain allows for the researcher to study the effects of TMS anywhere in the brain, providing access to different neural populations and regions. Another drawback of the previous design is that it limits proximity of TMS to the patient – with reported minimum spacing of 4cm between TMS and the cortical area. Our design reduces this distance, therefore increasing TMS effectiveness. We counteract the inductive loading of the TMS stimulator on the coil array by tuning coils to a lower resonance frequency, when the stimulator is then placed near a particular coil the resonant frequency of that coil increases to the correct value. Meanwhile, other coils are also loaded using electrical analogs of the stimulator, we call these dead weights. Finally, our design has the subject lying in a prone position, allowing for TMS stimulation in visual and motor areas of the brain; this is a novel experimental paradigm. We show that, with this design, the stimulator can be placed in different locations while having negligible influence on loop resonance and, by association, magnetic resonance image quality.La contribution de cette thèse est une nouvelle conception des bobines radio-fréquence (RF) pour la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Par avant, SMT et IRMf étaient entrelacés en utilisant une bobine faite sur mesure d'IRM montée sur une bobine de SMT. Cette conception est capable d'acquérir des images fonctionnelles avec un rapport signal sur bruit acceptable. Tandis que, la bobine nous avait donné une couverture d'image limité car elle a été fait pour s'attacher au stimulateur TMS dans qu'une seule manière. La conception illustrée dans cette thèse est comprise de plusieurs bobines dans les positions immobiles, entourant la tête du sujet, pour voir le cerveaux en entier, ceci donne le pouvoir au chercheur de positionner le SMT n'importe-où sans risque de perdre le signal. De plus, en couvrant le cerveau en entier, nous avons la possibilité d'étudier les effets de SMT n'importe-où dans le cerveau, donnant l'accès aux différentes régions et populations neuronales. Un autre problème de conception d'auparavant est qu'elle limite la distance entre la SMT et le sujet – avec une distance minimum de 4cm entre la SMT et la région corticale. Notre conception réduit la distance, donc elle augmente l'efficacité de SMT. Nous contre-balançons le chargement inductif du stimulateur SMT sur l'ensenble des bobines en réglant la fréquence de résonance à une fréquence plus basse et lorsque le stimulateur est placé sur une bobine en particulier, la fréquence de résonance de cette bobine monte au valeur correcte. Entretemps, les autres bobines sont chargées en utilisant des analogues électriques du stimulateur, les-quelles nous appelons contrepoids. Finalement, notre conception demande que le sujet se met dans une position à plat ventre, donnant la permission à stimulation SMT dans les centres visuelles et moteurs de cerveau; ceci est une nouvelle paradigme expérimentale. Nous montrons qu'avec cette conception, le stimulateur peut être placé dans des positions différentes toujours ayant une influence négligeable aux résonances des bobines, et en résultant, la qualité d'image de résonance magnétique