CN101488297B - 用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型，包括设置有开口的球体结构，球体结构包括外面的头皮仿体层、位于头皮仿体层里面的头骨仿体层，在头骨仿体层内填充有大脑皮层组织仿体溶液，头皮仿体层和头骨仿体层之间填充有与头皮层的电导率和相对介电常数相同的胶体层，头皮仿体层、头骨仿体层、大脑皮层组织仿体溶液的电导率和相对介电常数，在磁刺激频段1-10kHz范围内，与真实人体组织的电导率和相对介电常数接近。本发明由于构造及参数是按真实人体头部生理结构和电特性参数设计定制的，更接近于真实的人体头部条件。因此利用该模型进行脑神经磁刺激相关实验和研究能获得更好的实验精度，对于医学研究具有更高的研究价值。

Description

用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型

技术领域

本发明涉及临床医学脑神经刺激治疗技术领域，特别涉及一种用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型。

背景技术

经颅磁刺激(TMS)是近20年发展起来的一种新的刺激技术，由于磁刺激具有无创，操作简便，相比于电刺激技术具有电安全性好等优势，在神经、精神、心理等领域，尤其是抑郁症，强迫症，帕金森症，癫痫以及创伤后应激障碍等的治疗方面，具有很好的应用前景，成为了近年来研究的热点。

经颅磁刺激装置主要包含了一个储存电荷的电容器和一个传递能量的放电线圈，其基本工作原理是，利用电容器储存电荷，当电容器内的电荷迅速释放时，电流通过刺激线圈，产生的磁场在脑内形成感应电场，当感应电流强度按一定方向达到一定阈值时，可使神经细胞去极化，产生诱发电位，达到治疗或检测神经传导的目的。

由上所述，通过磁刺激在大脑皮层特定区域形成的感应电流，是改变大脑皮层兴奋性，进行脑神经磁刺激治疗的关键因素，感应电场的分布是脑神经磁刺激技术的重要研究内容。目前国内关于脑神经磁刺激开展的研究多为基础的理论仿真研究，对于脑神经磁刺激皮层感应电位的实验研究，由于测量需将检测电极植入人体头内部，将会对人体造成伤害，而通过无创方法检测又难以实现，因此对于脑神经磁刺激大脑皮层电位信号的直接检测等相关实验，需要借助仿体模型进行。目前使用的仿体模型结构相对简单，如单一介质的半无限边界条件，使用盐水槽作为电磁波传播介质进行实验测量，或采用简单的球形容器放入一定量生理盐水，模拟单层的球形边界条件进行实验。然而，真实人体头部的组织结构较为复杂，各层组织具有不同的电导、介电参数，使用上述模型进行磁刺激实验研究，对真实人体大脑皮层的模拟精度较低，实验结果与真实人脑刺激结果误差较大。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型，该仿真模型更加接近于人体头部实际条件，模拟真实人体大脑的精度高，用其进行磁刺激实验研究，实验结果与真实人脑刺激结果相比误差小。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型，包括设置有开口的球体结构，所述球体结构包括外面的头皮仿体层、位于头皮仿体层里面的头骨仿体层，在头骨仿体层内填充有大脑皮层组织仿体溶液，所述头皮仿体层和头骨仿体层之间填充有与头皮仿体层的电导率和相对介电常数相同的胶体层；在磁刺激频段1-10kHz范围内，所述头皮仿体层的电导率为8.1×10^-2-5×10^-1S/m，相对介电常数为2.9×10⁴-3.2×10⁴，所述头骨仿体层的电导率为5.0×10^-3-2.5×10^-2S/m，相对介电常数为5.2×10²-2.7×10³，所述大脑皮层组织仿体溶液的电导率9.9×10^-2-5.2×10^-1S/m，相对介电常数为2.2×10⁴-1.6×10⁵。

所述头皮仿体层由液态硅橡胶加入质量比为5％-10％铝酸钇和5.5％-30％的SnO2高温混炼，入模硫化制成。

所述头骨仿体层由钛酸钡加入质量比为1％-7％的乙炔黑混合，烧结后制成。

所述大脑皮层组织仿体溶液是由质量比为40％-45％的糖溶液加入质量比为0.01％-0.15％的氯化钾粉末混合制成。

所述胶体层是由浓度为0.15％-0.3％的琼脂加热后，加入质量比为1％-28％的NaCl混匀，冷却制成。

该仿真模型还设置有可调整的固定装置，所述固定装置包括与头皮仿体层固接的横梁，所述横梁通过连接块与立柱相连，所述立柱下面连接有底座；所述连接块上设置有与横梁连接的水平孔和与立柱连接的垂直孔，所述水平孔上设置有用于压紧横梁的螺栓，所述垂直孔上设置有用于压紧立柱的螺栓。

所述固定装置采用玻璃纤维材料制成。

本发明具有的优点和积极效果是：由于模型构造及参数是按照真实人体头部生理结构和电特性参数设计定制的，因此利用该模型进行脑神经磁刺激相关实验提高了模拟实验精度，相比于半无限边界条件的盐水槽实验模型和简单的单层球形模型，该模型能够在边界条件上更接近于真实的人体头部结构，从而在实验测量和研究中获得更好的实验精度，对于医学研究具有更高的研究价值；该模型由不易变质的材料加工制成，因此模型宜于长久保存和反复使用；该模型具有相关测量开口及固定调整装置，模型高度可调，便于进行磁刺激线圈不同位置的实验测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明连接块的结构示意图。

图中：1、头皮仿体层，2、头骨仿体层，3、大脑皮层组织仿体溶液，4、胶体层，5、测量开口，6、连接块，6-1、水平孔，6-2、垂直孔，7、横梁，8、立柱，9、底座，10、11、螺栓。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1、图2和图3，本发明基于脑神经磁刺激原理，对磁刺激放电电流信号，利用仿真软件对穿过头皮头骨等组织后，磁场在皮层形成的感应电场信号进行了模拟，通过傅立叶变换分析信号频谱中各频率成分情况，确定头部各层组织参数情况，进而选择对应参数材料，进行仿体制作。

考虑到用于脑神经磁刺激的磁刺激仪放电电流信号，

$i\left(t\right)=\mathrm{CU}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{LC}}-\frac{R^2}{{4L}^2}}\·e^{\frac{R}{2L}t}\·[{\left(\frac{\frac{R}{2L}}{\sqrt{\frac{1}{\mathrm{LC}}-\frac{R^2}{{4L}^2}}}\right)}^2+1]\·\sin (\sqrt{\frac{1}{\mathrm{LC}}-\frac{R^2}{{4L}^2}}\·t)$

其中，C为电容，U为充电电压，L为电感，R为电阻，t为时间。

通过对上式进行数值计算，可得真空介质中感应电场信号；考虑到脑神经磁刺激模型的分界面处电荷积累对大脑皮层感应电场的影响，进行数值计算可得大脑皮层感应电场的信号，真空介质中感应电场信号与大脑皮层的感应电场信号的频率成分近似，因此通过分析磁刺激仪放电电流信号即可确定感应电场各频率成分。由于感应电场信号由多个频率成分组成，通过傅立叶变换，对脑神经磁刺激中的主要的频率成分进行分析确定。傅立叶变换公式如下：

$G\left(e^{\mathrm{i\θ}}\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n(\cos \frac{2\mathrm{\π}}{T}\·{\mathrm{\ω}}_0\·n\·\mathrm{dt}-j\·\sin \frac{2\mathrm{\π}}{T}\·{\mathrm{\ω}}_0\·n\·\mathrm{dt})$

其中C_n为感应电场信号，G(e^iθ)为感应电场傅立叶变换，ω₀为频率，T为周期，n为信号傅立叶变换序列号。

从而得到感应电场的频谱，经过频谱分析即可确定放电波形中主要的频率成分为1-10kHz，并以此作为磁刺激感应电场检测实验仿真模型频率特性参数选取的主要依据。

根据以上分析，结合相关的医学测量数据，人体在1-10kHz范围内各层组织参数如表1。

表1.人体头部各层主要组织及电参数

组织	频率范围	电导率[S/m]	相对介电常数
				头皮	1-10kHz	0.08174-0.5132	29010-32135
头骨	1-10kHz	0.005057-0.02543	521.64-2702.4
				大脑灰质	1-10kHz	0.09881-0.52487	22241-164060

另一方面，由于人体头部组织接触紧密，且当模型各部分组织仿体间存在空气间隙时会对实验结果产生较大误差，因此模型各层组织仿体材料需要紧密接触。本发明采用固体与液体相结合的结构实现，模型分为以下几部分：头皮仿体层1，头骨仿体层2，大脑皮层组织仿体溶液3，模型设置有测量开口5，实验检测探头可以从测量开口5伸入进行测量。

其中头皮仿体层1的材质的基质是液态硅橡胶，加入5％-10％(质量比，下同)铝酸钇和5.5％-30％的SnO₂高温混炼，入模硫化制成头皮仿体层；以下提供几个头皮仿体层的实例：

实例1：基质是液态硅橡胶，加入5％的铝酸钇和5.5％的SnO₂高温混炼，入模硫化制成头皮仿体层。在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率为8.12×10^-2-8.3×10^-2S/m，相对介电常数为2.9×10⁴-2.93×10⁴。

实例2：基质是液态硅橡胶，加入7.5％的铝酸钇和22％的SnO₂高温混炼，入模硫化制成头皮仿体层。在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率为2.34×10^-1-2.5×10^-1S/m，相对介电常数为3.0×10⁴-3.03×10⁴。

实例3：基质是液态硅橡胶，加入10％的铝酸钇和30％的SnO₂高温混炼，入模硫化制成头皮仿体层。在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率为4.7×10^-1-4.97×10^-1S/m，相对介电常数为3.16×10⁴-3.2×10⁴。

头骨仿体层2可由钛酸钡加入1％-7％的乙炔黑混合，烧结后可制成。以下提供几个头骨仿体层的实例：

实例1：基质采用钛酸钡，加入1％的乙炔黑混合，烧结后制成头骨仿体层。在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率为5.12×10^-3-5.3×10^-3S/m，相对介电常数为5.2×10²-8.7×10²。

实例2：基质采用钛酸钡，加入4％的乙炔黑混合，烧结后制成头骨仿体层。在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率为1.4×10^-2-1.55×10^-2S/m，相对介电常数为1.32×10³-1.6×10³。

实例3：基质采用钛酸钡，加入7％的乙炔黑混合，烧结后制成头骨仿体层。在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率为2.33×10^-2-2.45×10^-2S/m，相对介电常数为2.5×10³-2.7×10³。

头皮仿体层1和头骨仿体层2之间填充与头皮仿体层1的电导率和相对介电常数相同的胶体层4，以排除空气间隙；头骨仿体层2内部填充由糖溶液和氯化钾粉末混合制成的大脑皮层组织仿体溶液3，仿体溶液3可由40％-45％的糖溶液加入0.01％-0.15％的氯化钾粉末混合制成。以下提供几个仿体溶液的实例：

实例1：40％的糖溶液加入0.01％的氯化钾粉末混合制成的大脑皮层组织仿体溶液，在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率1.0×10^-1-1.2×10^-1S/m，相对介电常数为2.2×10⁴-2.6×10⁴。

实例2：45％的糖溶液加入0.15％的氯化钾粉末混合制成的大脑皮层组织仿体溶液，在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率5.0×10^-1-5.1×10^-1S/m，相对介电常数为1.2×10⁵-1.6×10⁵。

其中胶体层4材料的基质是浓度为0.15％-0.3％的琼脂，加热后，加入1％-28％的NaCl混匀，冷却制成胶体，将上述胶体涂覆在头皮层内，然后放入预先制好的头骨层，压实。以下提供几个胶体层的实例：

实例1：浓度为0.15％的琼脂，加热，并加入1％的NaCl混匀，入模冷却制成胶体层。在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率为8.15×10^-2-8.30×10^-2S/m，相对介电常数为2.91×10⁴-2.94×10⁴。

实例2：浓度为0.2％的琼脂，加热，并加入14％的NaCl混匀，入模冷却制成胶体层。在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率为2.4×10^-1-2.5×10^-1S/m，相对介电常数为2.97×10⁴-3.0×10⁴。

实例3：浓度为0.3％的琼脂，加热，并加入28％的NaCl混匀，入模冷却制成胶体层。在磁刺激频段1-10kHz范围内，经测试、计算，电导率为4.8×10^-1-4.97×10^-1S/m，相对介电常数为3.14×10⁴-3.18×10⁴。

此外，为了便于实验测量和模型的固定，本发明设置了可调整的固定装置，固定装置采用玻璃纤维材料制成，包括与头皮仿体层固接的横梁7，横梁7通过连接块6与立柱8相连，立柱8下面连接有底座9；连接块6上设置有与横梁7连接的水平孔6-1和与立柱连接的垂直孔6-2，水平孔6-1上设置有用于压紧横梁7的螺栓10，垂直孔6-2上设置有用于压紧立柱8的螺栓11。通过松开螺栓11调整横梁7及模型的高度，横梁7以及模型的位置确定后，拧紧螺栓11，将模型固定。即可实现模型的高度可调，以达到磁刺激线圈与人体头部仿真模型的距离可调的目的。

使用本发明涉及的实验模型进行脑神经磁刺激实验，将仿体模型倒置放在固定调整装置上，将探头固定于三维空间定位装置上，将其从测量开口垂直向下深入，调整后进行测量。由于在探头两电极距离较小时，感应电场强度与探头电极间电压近似成正比，

V＝E·d

其中，V为探头电极间电压，E为电场强度，d为测量探头电极间距离。

因此只需将测量探头两电极间电压通过放大滤波等处理后，即可求得感应电场强度，再利用定位装置移动探头至其他位置进行测量，即可最终实现感应电场分布的测量。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型，包括设置有开口的球体结构，其特征在于，所述球体结构包括外面的头皮仿体层、位于头皮仿体层里面的头骨仿体层，在头骨仿体层内填充有大脑皮层组织仿体溶液，所述头皮仿体层和头骨仿体层之间填充有与头皮仿体层的电导率和相对介电常数相同的胶体层；在磁刺激频段1-10kHz范围内，所述头皮仿体层的电导率为8.1×10^-2-5×10^-1S/m，相对介电常数为2.9×10⁴-3.2×10⁴，所述头骨仿体层的电导率为5.0×10^-3-2.5×10^-2S/m，相对介电常数为5.2×10²-2.7×10³，所述大脑皮层组织仿体溶液的电导率9.9×10^-2-5.2×10^-1S/m，相对介电常数为2.2×10⁴-1.6×10⁵。

2.根据权利要求1所述的用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型，其特征在于：所述头皮仿体层由液态硅橡胶加入质量比为5％-10％铝酸钇和质量比为5.5％-30％的SnO₂高温混炼，入模硫化制成。

3.根据权利要求1或2所述的用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型，其特征在于：所述头骨仿体层由钛酸钡加入质量比为1％-7％的乙炔黑混合，烧结后制成。

4.根据权利要求1所述的用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型，其特征在于：所述大脑皮层组织仿体溶液是由质量比为40％-45％的糖溶液加入质量比为0.01％-0.15％的氯化钾粉末混合制成。

5.根据权利要求1所述的用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型，其特征在于：所述胶体层是由浓度为0.15％-0.3％的琼脂加热后，加入质量比为1％-28％的NaCl混匀，冷却制成。

6.根据权利要求1所述的用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型，其特征在于：该仿真模型还设置有可调整的固定装置，所述固定装置包括与头皮仿体层固接的横梁，所述横梁通过连接块与立柱相连，所述立柱下面连接有底座；所述连接块上设置有与横梁连接的水平孔和与立柱连接的垂直孔，所述水平孔上设置有用于压紧横梁的螺栓，所述垂直孔上设置有用于压紧立柱的螺栓。

7.根据权利要求6所述的用于脑神经磁刺激感应电场检测的头部仿真模型，其特征在于：所述固定装置采用玻璃纤维材料制成。

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