CN105079966A - 多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，该系统的PC监控平台与单线圈电流控制系统以及多线圈组合控制系统相互连接，单线圈电流控制系统和多线圈组合控制系统分别与多平面线圈阵列刺激源相互连接。本发明的效果是解决了传统经颅磁刺激以及重复经颅磁刺激所表现的矛盾性问题。该多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统可以消除刺激过程中被试者和受试者对刺激安全性的担忧，同时本系统能够针对不同被试者以及不同刺激目标优化设计并实现最优的刺激分布。

Description

多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术，特别是一种多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统。

背景技术

经颅磁刺激(TMS)技术是一种新兴的无创式刺激技术，它可以用于检测和治疗神经精神疾病。其工作原理是在一组高压大容量的电容上充电，利用半导体电力开关向磁刺激线圈充电，充电电流不到1毫秒的时间可达到数千安培，瞬时功率能达到几十兆瓦，刺激线圈表面产生的脉冲磁场峰值可达到1-4T(tesla,T,特斯拉)。头颅组织的相对磁导率接近1，所以磁场可以穿过头皮颅骨等外层组织达到脑实质。依据法拉第电磁感应定律，脑实质处变化的磁场会感生出电场，进而在脑组织中感生出电流，感应电流会对神经组织产生刺激作用。

依照目前神经科学的研究，TMS的作用机制是利用感应电流改变神经细胞的膜电位使其超过其兴奋阈值，使得局部大脑神经细胞去极化引起兴奋性动作电位从而产生一系列生理生化反应。

重复经颅磁刺激(rTMS)是在某一特定皮质部位给予重复刺激的过程。临床研究表明重复连续有规律的刺激能够产生积累效应，可以兴奋更多水平的神经元，不仅影响刺激局部和功能相关的远隔区域的大脑功能，实现皮质功能区域性重建，而且产生生物学效应可持续到刺激停止后一段时间，产生长时程效应，因此rTMS成为研究神经功能重建的良好工具。

虽然经颅磁刺激技术发展迅速，但是其未解决两个矛盾性问题。

其一：将经颅磁刺激技术应用于精神疾病的诊断和治疗需要考虑刺激目标的选择，某些精神疾病的病灶位于下丘脑等深层脑组织，由于电磁场的空间分布的衰减特性，当实现对深层脑组织的兴奋刺激时，浅层脑组织的刺激强度大大超过安全阈值。因此经颅磁刺激技术对于实现深度刺激与保证安全阈值问题上存在激烈的矛盾。

其二：应用经颅磁刺激技术刺激深度中枢神经组织时需要考虑刺激的聚焦效果，也即刺激定位的准确程度。我们仿真研究发现当刺激深度增加时，刺激能量需相应增加这样会导致刺激的聚焦效果变差，也即刺激的聚焦效果与刺激的深度是相互制约的。

弱磁刺激可以在中枢神经系统感生出弱电场，已有研究表明弱电场可以通过阈下刺激实现对神经活动的调节，这种作用机制是通过改变膜电位对自发极化和诱发活动产生持续影响，这样会对单神经元的放电时刻产生小的扰动，这样的扰动在神经网络中会通过共振抑或累积效应等被放大，从而对神经网络的编码机制产生影响，进一步调控神经网络的功能。

目前市场上的大多数经颅磁刺激装置的刺激源都是单线圈或8字线圈，单一形状的刺激源不能实现刺激分布的调节，因此不可能解决前文所述的其二矛盾。许多研究均试图利用多通道线圈实现刺激的优化，往往局限于单一平面阵列或者帽式阵列，单一平面阵列对于实现刺激分布全方位立体式的优化存在局限性，帽式阵列对于适应被测者外观的差异性，缺少必要空间调节自由度。

发明内容

针对上述技术中存在的不足，本发明提供了一种多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，其目的之一：在实现对深层中枢神经刺激的同时保证浅层脑组织的刺激强度满足安全阈值；其目的之二是实现多样的刺激形式、实现对刺激分布的优化；其目的之三是能实现刺激源对被试者外观差异性的适应性调整。

本发明所提出的一种多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，其中：该系统包括有PC监控平台、单线圈电流控制系统、多线圈组合控制系统以及多平面线圈阵列刺激源，PC监控平台与单线圈电流控制系统以及多线圈组合控制系统相互连接，单线圈电流控制系统和多线圈组合控制系统分别与多平面线圈阵列刺激源相互连接。所述PC监控平台接收单线圈电流控制系统的电流信息，接受多线圈组合控制系统的磁场信息，通过PC监控平台进行显示；所述多平面线圈阵列刺激源接收多线圈组合控制系统以及单线圈电流控制系统输入的激励电流按照电磁感应原理对目标产生刺激。

本发明的效果是解决了传统经颅磁刺激以及重复经颅磁刺激所表现的矛盾性问题。本发明提供的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统可以消除刺激过程中被试者和受试者对刺激安全性的担忧，同时本系统能够针对不同被试者以及不同刺激目标优化设计并实现最优的刺激分布。

附图说明

图1为本发明的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统的结构图；

图2为本发明的单线圈电流控制部分的系统框图；

图3为本发明的多线圈组合控制部分的系统框图；

图4为本发明的多平面线圈阵列刺激源外观示意图；

图5为本发明的可调节线圈平面的外观示意图；

图6为本发明PC监控平台功能示意图；

图7-1、图7-2、图7-3、图7-4为四种多线圈阵列刺激源形式举例；

图8为本发明的线圈组合刺激的示意图。

图中：

1、全系统结构2、单线圈电流控制系统3、多线圈组合控制系统4、多平面线圈阵列刺激源5、PC监控平台6、微控制器7、线圈供电主电路8、半导体电力开关9、单线圈10、电流传感器11、现场总线12、磁场探测器13、多个独立的单线圈电流控制单元14、PC协调控制部分15、万向结构16、线圈平面17、线圈阵列18、监视界面19、操作界面20、文件存储21、在线仿真22、四个圆形线圈23、近似方形线圈24、三个近似方形线圈25、异形线圈

具体实施方式

结合附图对本发明的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统结构加以说明。

本发明的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统主要由单线圈电流控制系统2、多线圈组合控制系统3、多平面线圈阵列刺激源4以及PC监控平台5五部分组成。本发明所提出的多平面阵列中枢神经弱磁刺激系统的设计思想是：其一本发明利用弱磁刺激代替强磁刺激，对目标的刺激强度没有极化阈值的要求，从而可以保证对深层组织刺激时浅层组织的刺激强度能满足安全阈值。依据背景技术所述弱磁刺激的刺激原理，可知刺激频率是弱磁刺激实现刺激功能的关键。针对刺激频率的问题，本发明利用单线圈电流控制系统2可以实现对单线圈电流波形的闭环调节，可以准确设定线圈激励电流的脉冲频率和波形。其二本发明利用多平面线圈阵列刺激源4与多线圈组合控制系统3可实现不同空间位置的线圈的选通组合，不同形式的线圈组合对于刺激目标产生不同刺激模式，同时多线圈组合控制系统3引入了以刺激目标磁场强度为反馈变量的闭环控制，可以实现对磁场分布的优化也就可以实现对感应电场即刺激分布的优化。其三本发明中的多平面线圈阵列刺激源4为多自由度可调节的刺激源，可以针对不同外观尺寸的刺激目标实现线圈平面与其相对位置参数的灵活调节。

图1所示多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统的全系统结构1主要包括4个部分，PC监控平台5、单线圈电流控制系统2、多线圈组合控制系统3、多平面线圈阵列刺激源4。PC监控平台5与单线圈电流控制系统2以及多线圈组合控制系统3相互连接，单线圈电流控制系统2和多线圈组合控制系统3分别与多平面线圈阵列刺激源4相互连接。PC监控平台5接收单线圈电流控制系统2的电流信息以及多线圈组合控制系统3的磁场信息，单线圈电流控制系统2与多线圈组合控制系统3接收PC监控平台5的指令信息。多平面线圈阵列刺激源接受多线圈组合控制系统2以及单线圈电流控制系统3的激励电流。

图2所示为单线圈电流控制系统2的系统框图，微控制器6综合期望的电流波形以及电流传感器10的反馈数据来对单线圈供电主电路7进行控制。其具体过程为：微控制器6根据期望值与反馈值的差异，设定输出PWM控制脉冲，PWM控制脉冲驱动半导体电力开关8实现对单线圈9两端电压的调节，单线圈9的等效电路模型为RL串联模型，控制其两端电压便能实现对其电流变化的控制。

图3所示为多线圈组合控制系统3的系统框图，每个线圈作为独立的电流调节单元，也即每个线圈占有一个微控制器。实现多线圈组合控制需要协调多个微控制器的控制过程，而且多线圈的组合调节也需要目标磁场强度作为控制变量实现对其的闭环控制。PC监控平台5中包含PC协调控制部分14，其与多个独立的单线圈电流控制单元13通过现场总线11实现通讯连接。PC协调控制部分14接受目标磁场探测器12的反馈值同时整合所期望的刺激模式，计算设定线圈的选通方式并转化具体的控制指令通过现场总线11发送给多个独立的单线圈电流控制单元13。

在此说明：刺激目标深入中枢神经，不可能通过磁场探测器12获取其参量，本发明所述目标磁场探测器包括两个以上的磁场探测器，分布在头颅接近刺激区域的位置，PC协调控制部分14会对所接收各个磁场强度按照磁场分布规律进行处理获得近似的刺激目标处磁场强度。

图4所示为多平面线圈阵列刺激源4的外观示意，以图示视角，其分别为位于上，左，右，后四个空间平面的线圈平面15，每个平面内排布有19个线圈，它们按照正六边形排列构成了线圈阵列17。线圈平面15安装在多自由度可调的万向结构16上，可以实现如图5所示的角度调节。多平面的线圈阵列结构针对不同的被试者可以调节其与刺激目标位置的相对距离以及角度，相对位置参数可以被记录输入到PC监控平台5，在线仿真21根据这些参数进行前处理的模型建立，同时控制算法的相应参数也会对其做出响应。多平面线圈阵列刺激源的形式多种多样，其平面数目不局限于四，其线圈阵列的排布也布局于正六边形，图7对多平面线圈阵列刺激源的多种形式做了举例说明。

图5所示为线圈平面可调节自由度，线圈平面可以实现上下180度角度调整，可以实现本平面内360度旋转。

图6所示为PC监控平台5的主要功能，整个平台主要有4部分组成，分别为监视界面18、操作界面19、文件存储20与在线仿真21。监视界面18主要显示各个线圈电流、线圈的组合形式与目标处的磁感应强度以及刺激点温度与环境温度等信息。操作界面19主要包括初始配置以及两种模式的操作接口，单步操作可以实现选通某一平面的某一线圈、设定单线圈加载某一特定电流波形等流程，而流程操作是多种单步操作的组合，可以利用简单的语句实现完整的加载控制流程，并且可以实现不同时刻选通不同线圈，不同时刻加载不同电流波形。文件存储20包括对启动文件的存储、传感器的校准文件、在线仿真21的仿真结果和监视界面18的监视信息等数据的存储。在线仿真21是利用有限元数值算法仿真分析目标中枢神经的感生电流的分布情况。首先进行前处理，根据被试者的头颅的MRI切片数据重构仿真所需的数值模型，根据线圈组合选定的参数构造线圈模型，然后根据线圈电流波形进行加载仿真计算，最后根据需要呈现被试者头颅模型的感生电流分布，相应的仿真结果会被文件存储18存储同时用以指导操作界面19的命令输入。

图7-1至图7-4所示为四种多平面线圈阵列形式举例。其中图7-1为一六平面线圈阵列形式，其顶部线圈平面内的线圈阵列为19线圈的正六边形排布，其他位置的线圈阵列为2*4的长方形排布。图7-2为一四平面线圈阵列形式，其每个线圈平面的线圈阵列均为4*4的正方形排布。图7-3为一五平面线圈阵列形式，其顶部线圈平面内的线圈阵列为2*2的正方形排布，其他位置的线圈阵列为2+3+4的等腰梯形排布。图7-4为一七平面线圈阵列形式，其顶部线圈平面内的线圈阵列为7线圈的正六边形排布，其他位置的线圈阵列为2+3+4的等腰梯形排布。

图8所示为圆形线圈组合模拟方形线圈。每个平面的线圈阵列都可以实现多种模式的刺激，除去简单的8字线圈，四叶草线圈，还可以实现如图8所示的组合形式，图8中的四个圆形线圈22通以同步变化的电流脉冲，保证电流的流向相同，黑色箭头所示的电流方向相反，结合电磁感应定律可推论得知相反方向的电流产生的刺激效果相反，可以认为两者相互抵消，由此可认为只有白色箭头所示的电流产生了刺激效果，这样四个圆形线圈22模拟出一个如图所示的大的近似方形线圈23。进而以三个近似方形线圈24依照相同的思路可以模拟出如图所示的异形线圈25。这样只要保证线圈的激励电流脉冲同步变化即可实现更多的组合刺激模式。激活不同平面内的线圈，可以实现立体式的刺激组合，由变化的磁场感生出的电场是涡流电场，感应电场的方向与线圈电流方向相反，不同平面内的线圈所感生的涡流电场轴向不同。不同轴向的电场可以在空间上进行组合，在涡流同向的位置电场将加强，涡流反向的位置电场将减弱。

Claims (6)

1.一种多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，其特征是：该系统包括有PC监控平台(5)、单线圈电流控制系统(2)、多线圈组合控制系统(3)以及多平面线圈阵列刺激源(4)，PC监控平台(5)与单线圈电流控制系统(2)以及多线圈组合控制系统(3)相互连接，单线圈电流控制系统(2)和多线圈组合控制系统(3)分别与多平面线圈阵列刺激源(4)相互连接；

所述PC监控平台(5)接收单线圈电流控制系统(2)电流信息，接收多线圈组合控制系统(3)磁场信息，通过PC监控平台(5)进行显示；所述多平面线圈阵列刺激源(4)接收多线圈组合控制系统(3)以及单线圈电流控制系统(2)输入的激励电流按照电磁感应原理对目标产生刺激。

2.根据权利要求1所述的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，其特征是：所述单线圈电流控制系统(2)中包括有微控制器(6)、半导体电力开关(8)、单线圈(9)以及电流传感器(10)相互连接，微控制器(6)接收电流传感器(10)采集单线圈(9)电流所获得的反馈数据，计算设定PWM控制信号传输给半导体电力开关(8)，半导体电力开关(8)控制单线圈(9)两端电压的变化；所述单线圈电流控制系统(2)接收PC监控平台(5)的操作界面(19)所设定的期望电流波形通过微控制器(6)、半导体电力开关(8)、单线圈(9)以及电流传感器(10)构成的闭环对单线圈(9)的电流进行调控。

3.根据权利要求1所述的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，其特征是：所述多线圈组合控制系统(3)中包括有PC协调控制部分(14)、多个独立的单线圈供电单元(13)、现场总线(11)以及磁场探测器(12)相互连接，PC协调控制部分(14)接收磁场探测器(12)采集刺激目标区域磁场强度所获得的反馈数据，计算设定线圈的选通方式并转化为控制指令通过现场总线(11)传输给多个独立的单线圈电流控制单元(13)，实现对磁场分布的调整；所述多线圈组合控制系统(3)接收PC监控平台(5)的操作界面(19)设定的期望刺激模式通过PC协调控制器(14)、多个独立的单线圈电流控制单元(13)以及磁场探测器(12)构成的闭环对磁场分布进行调控。

4.根据权利要求1所述的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，其特征是：所述多平面线圈阵列刺激源(4)包括有四个线圈平面(15)、四个线圈阵列(17)和四个万向结构(16)，线圈阵列(17)由19个圆形线圈按照正六边形排布构成，线圈阵列(17)放置在线圈平面(15)上，线圈平面(15)放置在万向结构(16)上，万向结构(16)能够保证线圈平面(15)自由调节。

5.根据权利要求1所述的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，其特征是：所述PC监控平台(5)由监视界面(18)、操作界面(19)、文件存储(20)以及在线仿真(21)组成，其中监视界面(18)与操作界面(19)分别接收外部信息与向外部发送控制指令，文件存储(20)存储监视界面(19)的显示信息以及仿真界面(21)的仿真结果，仿真界面(21)的仿真计算为操作界面(19)的控制命令的生成提供参考。

6.根据权利要求4所述的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，其特征是：所述多线圈平面阵列刺激源(4)的线圈平面(15)数目多个任意数目，线圈平面(15)内的线圈阵列排布为正六边形或任意形状。