CN101670150B - 用于提高八字形磁刺激线圈聚焦性的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高八字形磁刺激线圈聚焦性的装置，包括设置在所述八字形线圈刺激侧的导体屏蔽板，所述导体屏蔽板的中部开设有窗口，该装置还包括设置在八字形线圈背侧中部的磁导体，所述导体屏蔽板和磁导体固装在壳体上。本发明减小了八字线圈磁刺激聚焦面积，抑制了八字线圈两侧感应电场负峰，提高了八字线圈电场正负峰比，最终达到了提高磁刺激八字形线圈聚焦性，减小磁刺激副作用的目的。

Description

用于提高八字形磁刺激线圈聚焦性的装置

技术领域

本发明涉及临床医学神经磁刺激治疗技术领域，特别涉及一种用于提高八字形磁刺激线圈的聚焦性增强装置。

背景技术

磁刺激技术是近20年发展起来的一种新技术，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，尤其在抑郁症，强迫症，帕金森症，癫痫以及创伤后应激障碍等治疗方面具有很好的应用前景，已经成为近年来的研究热点。

磁刺激发生装置主要包含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，当电容器内的电荷对线圈迅速释放时，产生瞬时大电流通过刺激线圈，产生的磁场在生物体内形成感应电场，当感应电流强度沿一定方向达到阈值时，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。

为了使磁刺激能量集中于靶区域进行治疗，磁刺激线圈应仅使靶位置产生兴奋，尽量减小靶区域之外所受影响，因此磁刺激线圈应将磁刺激能量聚焦在一定区域内以提高磁刺激效率，在该区域之外磁场能量应尽量小，以避免其他组织受到电磁辐射，减小副作用。因此提高磁刺激线圈空间聚焦性是磁刺激研究的重要技术问题。

单圆形线圈边缘对侧位置存在方向相反的等幅峰值，在靶位置以外产生与磁刺激治疗无益的负向感应电场，治疗时对人体产生一定的副作用。为了提高磁刺激线圈聚焦性，减小副作用，近年来，技术人员在改进优化线圈结构方面，做了许多工作，陆续提出了八字形线圈，双锥形线圈，四叶形线圈等。其中，八字形线圈结构相对简单，易于加工制作，广泛应用于磁刺激治疗中。然而，上述针对线圈本身结构进行的研究和改进也还存在一定的不足，如：双锥形线圈和四叶形线圈结构复杂，制作工艺要求高，应用受到一定限制；八字形线圈聚焦性虽较圆形线圈聚焦性有所提高，但在两侧外边缘处的反向感应电场仍将引起磁刺激靶区域外神经兴奋，在磁刺激治疗中造成不利影响，因此通过其他途径提高八字形磁刺激线圈聚焦性是十分必要的。

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提高脑神经磁刺激八字线圈聚焦性的装置，该装置保持了八字形线圈相比于圆形线圈聚焦性强，结构相对简单、易于加工制作的优点，同时，克服了八字线圈两侧有负向刺激峰的缺陷，使聚焦性得到提高。

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：一种用于提高八字形磁刺激线圈聚焦性的装置，包括设置在所述八字形线圈刺激侧的导体屏蔽板，所述导体屏蔽板的中部开设有窗口，该装置还包括设置在八字形线圈背侧中部的磁导体，所述导体屏蔽板和磁导体固装在壳体上。

所述导体屏蔽板的电导率σ≥1×10⁶S/m，磁导率μ≤10。

所述磁导体的磁导率μ≥1000，铁损≤1000kW/m³。

所述窗口为长方形，所述长方形的长度大于等于线圈圆心距离的56％，小于等于圆心距离的84％，所述长方形的宽度大于等于线圈圆心距离的28％小于等于线圈圆心距离的42％。

所述磁导体为长方体，所述长方体的长度大于等于线圈圆心距离的56％小于等于线圈圆心距离的84％，所述长方体的宽度大于等于线圈圆心距离的28％小于等于线圈圆心距离的42％。

所述导体屏蔽板由铜材制成。

所述磁导体是PC40材料制成的铁氧体。

本发明具有的优点和积极效果是：减小了八字线圈磁刺激聚焦面积，抑制了八字线圈两侧感应电场负峰，提高了八字线圈电场正负峰比，最终达到了提高磁刺激八字形线圈聚焦性，减小磁刺激副作用的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明导体屏蔽板的结构示意图；

图4为线圈空间磁干线分布图；

图5为八字形线圈应用本发明前后对y方向感应电场聚焦性对比效果图。

其中，1、增强装置外壳前板，2、导体屏蔽板，3、八字形磁刺激线圈，4、紧固螺钉，5、磁导体，6、增强装置外壳后板，7、定位螺钉。

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：

请参见图1～图4，为了提高磁刺激线圈聚焦特性，本发明采用八字形线圈外加装聚焦增强装置的方式提高八字形线圈感应电场的聚焦性。该聚焦增强装置包括设置在八字形线圈刺激侧的导体屏蔽板2和设置在八字形线圈背侧的磁导体5，导体屏蔽板2的中部开设有窗口，导体屏蔽板2和磁导体5固装在壳体上，壳体应由绝缘硬质材料制成，例如：PVC塑料。该聚焦增强装置具有两种功能，即磁场会聚和磁场加强。

由电磁学原理可知，置于变化磁场中的导体，在电磁感应作用下，导体内部形成涡流，根据楞次定律，涡流产生的感应磁场与原磁场方向相反，利用该原理，可将磁刺激线圈周围空间范围内与治疗无关区域的磁场进行抑制，同时在导体屏蔽板上开设窗口，将对磁刺激有用的磁感线保留，以达到抑制两侧负峰，同时减小磁场分布半宽度提高聚焦性的目的。

另外，考虑到利用导体屏蔽板进行磁场会聚时，导体内形成的涡流会造成一定的能量损耗，同时为了进一步提高八字线圈的聚焦性，本发明使用磁导体对八字线圈中心处磁场增强，以提高正向感应电场峰值，从而进一步提高线圈聚焦性。

由磁学原理可知，置于磁场中的磁导体，其内部磁通量密度：

B＝μ₀(H+M)＝μ₀(H+χ_mH)＝μ₀(1+χ_m)H＝μH

其中，B为磁导体内部磁通密度，H为外磁场强度，M为磁化强度，μ₀为真空中磁导率，χ_m为磁化率，μ为材料磁导率。当磁导率μ＞＞1时，即磁导体采用铁磁材料时，会使磁导体周围磁感应强度明显增强。

为了使起到会聚作用的导体屏蔽板对感应电场负峰有效屏蔽，导体屏蔽板材料应能产生足够大的感应电流，同时本身不具有软磁性，通过对不同电导率和磁导率参数的材料对正负峰比进行比较，如表1。

表1 金属屏蔽板不同电导率、磁导率对正负峰比的影响

电导率(S/m)	磁导率	正负峰比
			104	103	3.2∶1
105	102	4.5∶1
			106	10	4.9∶1
107	1	5.0∶1
			108	0.99	5.0∶1

根据以上分析，本发明选用的导体屏蔽板具有σ≥1.0×10⁶S/m的电导率，μ≤10的磁导率时，八字线圈电场正负峰比较理想。在本实施例中，导体屏蔽板采用的是铜金属板，因为，铜金属板的电导率σ为5.8×10⁷S/m，磁导率μ≈1，非常适合做本发明的导体屏蔽板。

利用磁导体进行增强磁场时，应避免涡流产生的能量损失。表2列出了磁导体不同铁损、磁导率参数对正负峰比的影响。

表2 磁导体不同铁损、磁导率对正负峰比的影响

铁损(kW/m3)	磁导率	正负峰比
			105	10	1.8.∶1
104	102	2.0∶1
			103	103	2.02∶1
102	104	2.05∶1
			10	105	2.1∶1

由表2可知，磁导体最好具有μ≥1000的磁导率，和小于1000kW/m³铁损，磁导体可采用软磁铁氧体。在本实施例中，磁导体采用PC40铁氧体制成。因为PC40铁氧体的磁导率μ_r为2500左右，铁损600kW/m³，非常适合做本发明的磁导体。总之，磁导体可由铁氧体，或镀有绝缘膜的硅钢片等制成。

为了便于说明，对八字形线圈建立直角坐标系，设八字线圈表面(刺激侧)两圆交点为坐标原点O，两圆心连线为x轴，圆心距离为d，两圆内切线为y轴，垂直于线圈表面为z方向，根据已有研究成果可知，y方向电场聚焦性最好，本发明主要讨论y方向感应电场聚焦性。若不特别说明，文中涉及的感应电场均指y方向感应电场分量。

变化的电流通过八字线圈时，在线圈中心附近形成的磁力线沿x轴方向，形成的感应电流方向沿y轴方向，经过进一步仿真如图4可知，在线圈中心距离表面的长、宽、高分别为d×60％，d×25％，d×30％的立体空间内(图4中虚线部分)的磁力线对于线圈中心处的感应电场起主要作用，因此只需对此部分磁场进行会聚和增强，即可实现八字线圈聚焦性的增强。

导体屏蔽板上开设的窗口尺寸对磁场的会聚效果不同，通过具有不同尺寸窗口导体屏蔽板对聚焦性影响的对比实验研究和分析，以医学临床中常用的英国Magstim公司的八字形磁刺激线圈，70mm Double Coil为例，该线圈内径约为28mm外半径约为46mm，若定义y方向感应电场分布曲线大于最大值的空间范围为聚焦面，结合上述分析和计算聚焦面积和正负峰比如表3。

表3 不同尺寸窗口的正负峰比和聚焦面积减小率表

长度	宽度	正负峰比	聚焦面积减小率
				d×42％	d×21％	2.8∶1	39.2％
d×56％	d×28％	4.5∶1	42.7％
				d×70％	d×35％	5.0∶1	50.47
d×84％	d×42％	3.6∶1	56.35％
				d×112％	d×49％	2.5∶1	59.60％

由上表可看出，窗口的长度大于等于线圈圆心距离的56％，小于等于圆心距离的84％，宽度大于等于线圈圆心距离的28％小于等于线圈圆心距离的42％时，会聚效果较好，正负峰更趋合理。本实施例中，八字形磁刺激线圈聚焦性增强装置导体屏蔽板，中心开窗长度为线圈圆心距离d的70％，中心开窗宽度为线圈圆心距离d的35％，导体屏蔽板长度和宽度大于八字形磁刺激线圈的长度和宽度的110％，可实现对电磁场的会聚最佳效果。此外，为避免金属材料的尖锐边缘对电磁场分布造成影响，导体屏蔽板及中心开窗须倒圆角，导体屏蔽板外沿倒圆角半径为导体屏蔽板长度的15％，中心开窗倒圆角为中心开窗长度的15％。导体屏蔽板厚度为0.5mm。八字形磁刺激线圈聚焦性增强装置其各部分组件尺寸可根据不同线圈的尺寸进行调整。

另一方面，为了进一步提高八字形磁刺激线圈聚焦性，同时考虑到线圈放电时导体屏蔽板形成涡流造成的能量衰减，该增强装置中对八字线圈中心处磁场增强作用的空间，即在线圈中心长宽高为d×60％，d×25％，d×30％空间内。八字线圈仅需增强中间有效刺激磁场，应避免增强两侧的无用刺激磁场。

从上述分析可知，磁导体表面尺寸最好大于等于d×60％×d×25％，为此对该长度范围附近进行了对比实验，表4中列出了磁导体在不同长宽尺寸时对正负峰比和聚焦面积的影响结果。

表4 磁导体不同尺寸窗口的正负峰比和聚焦面积减小率表

长度	宽度	正负峰比	聚焦面积减小率
				d×42％	d×21％	4.2∶1	37.5％
d×56％	d×28％	4.5∶1	42.7％
				d×70％	d×35％	5∶1	50.47
d×84％	d×42％	4.7∶1	56.35％
				d×112％	d×49％	4.1∶1	63.20％

经过上述分析可知，磁导体长度为八字线圈圆心距离d的56％～84％，宽度为八字线圈圆心距离d的28％～42％时，磁场增强作用较好。在本实施例中，磁导体选取PC40材料制成，磁导体长度为d×70％，磁导体宽度为d×40％，磁导体厚度为线圈厚度的130％，磁导体厚度应大于线圈厚度为公知常识。

为了便于八字磁刺激线圈聚焦性增强装置便于使用，本实施例中的外壳包括外壳前盖1，外壳后盖6。以及相关起固定作用的螺钉。使用时，将磁导体5放于外壳后盖6的与磁导体尺寸相同的凹槽内，将导体屏蔽板2放入外壳前盖1内，并用AB胶粘牢。将前后盖安装好后，用紧固螺钉4固定，外壳前盖1设有侧口，将八字线圈3装入后，并用定位螺钉7固定，防止线圈滑落。

综上所述，本发明采用的技术路线是，通过对八字形线圈外加装置的方式提高八字形线圈的聚焦性。请参见图5，在保持八字线圈中心处聚焦性相对较强等优点的基础上，克服八字线圈两侧感应电场负峰引起的无用刺激的缺点，设计合理的聚焦性增强装置，保留八字形磁刺激线圈中心处电磁场能量，抑制线圈两侧的负峰，从而提高聚焦性，实现磁刺激能量在治疗靶区域聚焦，减小非靶区域无用刺激引起的副作用。

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。本设计中使用的磁导材料，还可使用磁导率较高的硅钢片层叠排列，由于硅钢片的电导率较高，产生的涡流将会造成能量损耗，可使用绝缘层将硅钢片隔开，制成磁场加强装置。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 (3)

1.一种用于提高八字形磁刺激线圈聚焦性的装置，其特征在于，包括设置在所述八字形线圈刺激侧的导体屏蔽板，所述导体屏蔽板的中部开设有窗口，该装置还包括设置在八字形线圈背侧中部的磁导体，所述导体屏蔽板和磁导体固装在壳体上，所述壳体应由绝缘硬质材料制成；所述导体屏蔽板的电导率σ≥1×10⁶S/m，磁导率μ≤10；所述磁导体的磁导率μ≥1000，铁损≤1000kW/m³；所述窗口为长方形，所述长方形的长度大于等于线圈圆心距离的56％，小于等于圆心距离的84％，所述长方形的宽度大于等于线圈圆心距离的28％小于等于线圈圆心距离的42％；所述磁导体为长方体，所述长方体的长度大于等于线圈圆心距离的56％小于等于线圈圆心距离的84％，所述长方体的宽度大于等于线圈圆心距离的28％小于等于线圈圆心距离的42％。

2.根据权利要求1所述的用于提高八字形磁刺激线圈聚焦性的装置，其特征在于，所述导体屏蔽板由铜材制成。

3.根据权利要求1所述的用于提高八字形磁刺激线圈聚焦性的装置，其特征在于，所述磁导体是PC40材料制成的铁氧体。

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