CN105435371A - 基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统，该系统的第一刺激线圈、第二刺激线圈之间外切，第一刺激线圈、第二刺激线圈均为内径56mm，外径62mm；第一源线圈内切于第一刺激线圈，第二源线圈内切于第二刺激线圈，且两内切点与第一刺激线圈、第二刺激线圈之间的外切点重合，第一源线圈、第二源线圈均为内径30mm，外径36mm，两线圈单元中心连线的中点处放电电流方向一致，在中点处对应于靶位刺激点。有益效果是该系统源线圈通入相同强度电流时，针对颅内同等深度患处刺激强度增加；由源线圈传导到头颅模型上的能量利用率提高三倍以上。在满足提高能量利用效率和降低激励电流强度要求的同时，能够实现刺激深度的加强，增加靶位刺激的准确性。

Description

基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术，特别是一种基于磁共振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统。

背景技术

经颅磁刺激(Transcranialmagneticsimulation，TMS)是一种基于电磁感应原理的新型诊疗技术，能够无创、无痛地刺激人体组织，是一种较为安全有效的非侵入式刺激方法。其利用置于头皮上方的磁性线圈产生时变磁场，进而在大脑皮层以及脑内部的神经组织感生出感应电场，产生感应电流，从而刺激相应的脑神经单元，影响脑内代谢和神经活动。基于TMS技术设计的线圈构造中最为普遍的是8字形线圈，即两个单线圈(或多匝线圈)置于同一平面内形成8字形结构；使用时在两个(组)线圈中通入反向电流，则两个(组)线圈交汇处磁场强度、变化率出现极大值，以此感应出的电场作为诊疗使用的刺激源。目前，使用8字形线圈的经颅磁刺激技术已经较为广泛地应用于临床诊断及治疗方面。与电刺激相比，磁刺激信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑神经，并且只会在脑部感应出微小电流，不会产生剧烈疼痛或其他不适感。此外，它比电刺激技术更加安全方便，更易为病人接受。

上述优点使得经颅磁刺激技术得到了广泛的应用：在临床应用方面，补充了CT和MRI所不能获得的运动神经缺陷的客观证据，还可以为脑手术患者提供快速、低廉的功能定位重要皮质区的方法。在脑基础研究方面，使用TMS可以非侵入地关闭特定皮质区功能以辨识参与给定任务的重要大脑区；在治疗应用方面，对于一些由于神经细胞兴奋阈值的改变或异常的精神疾病，如抑郁症，精神分裂症，癫痫等的治疗具有显著效果。

然而，该技术目前还存在一些问题，其中最为突出的是传统8字形线圈刺激的聚焦程度、刺激强度的控制和刺激效率之间的矛盾。线圈的聚焦程度决定了磁刺激作用的范围，增强线圈的聚焦性可以减小非靶组织神经元受到刺激的可能性，降低治疗过程的副作用，提高安全性；刺激的强度会影响磁刺激的深度，较大的刺激深度是实现深颅神经组织刺激的必要条件；而刺激效率则影响能量损耗、适用功率范围，进而影响装置的普及程度。传统8字线圈作为一种常见的TMS的刺激源构型，其优势在于能较好的提高刺激聚焦，但是其刺激的渗透深度降低，而且刺激效率较低，高功率和高电流不利于TMS的家用化。

发明内容

针对现有技术的存在的问题，本发明提供一种基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统，从而实现利用该系统实现头部更深处的电磁刺激和达到比传统8字形线圈更高的效率的目标。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统，其中：所述的8字形线圈经颅磁刺激系统即电路拓扑，所述电路拓扑包括第一线圈单元A和第二线圈单元B外切构成8字形线圈结构，第一线圈单元A包括第一源线圈、第一刺激线圈，第二线圈单元B包括第二源线圈、第二刺激线圈，第一刺激线圈、第二刺激线圈之间外切，第一刺激线圈、第二刺激线圈均为内径56mm，外径62mm；第一源线圈内切于第一刺激线圈，第二源线圈内切于第二刺激线圈，且两内切点与第一刺激线圈、第二刺激线圈之间的外切点重合，第一源线圈、第二源线圈均为内径30mm，外径36mm；所述系统中第一线圈单元A的电路结构描述如下：第一源线圈所在电路单元由交流电源AC₁、电阻R₁、电感L₁、电容C₁串联而成，第一刺激线圈所在电路单元由电阻R₂、电感L₂、电容C₂串联而成，电感L₁与电感L₂之间存在互感；第二线圈单元B的电路结构描述如下：第二源线圈所在电路单元由交流电源AC₂、电阻R₃、电感L₃、电容C₃串联而成，第二刺激线圈所在电路单元由电阻R₄、电感L₄、电容C₄串联而成；电感L₃与电感L₄之间存在互感，所述的第一线圈单元A、第二线圈单元B组合成为8字形结构，两线圈单元中心连线的中点处放电电流方向一致，在所述中点处对应于靶位刺激点。

本发明的效果是基于MRC的8字形经颅磁刺激系统较传统8字形线圈经颅磁刺激系统存在明显的刺激强度的优势，可在局部使刺激强度提高近9倍，实施刺激时，若给源线圈提供与传统8字线圈相同的电流强度，由于谐振线圈的存在，MRC线圈的能量传导效率相较于传统8字线圈提高三倍以上。

附图说明

图1为本发明的基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统的电路拓扑图；

图2为本发明的基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统的线圈空间构型图；

图3-1为传统8字形线圈经颅磁刺激系统的选定深度处刺激聚焦性的仿真图；

图3-2为本发明的基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统选定深度处刺激聚焦性的仿真图；

图4为本发明所提出的基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统与传统8字形线圈经颅磁刺激系统的刺激效率的仿真对比图。

图中：

1、第一源线圈2、第一刺激线圈3、第二源线圈

4、第二刺激线圈A、第一线圈单元B、第二线圈单元

7、系统电路拓扑8、第三刺激线圈9、第三源线圈

10、第四刺激线圈11、第四源线圈

具体实施方式

结合附图对本发明的基于磁谐振耦合原理的8字形经颅磁刺激系统的结构进行描述。

本发明的基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统的设计思想在于利用磁谐振耦合系统的频率敏感性，改进传统以8字形线圈结构设计为基础的经颅磁刺激技术的电路拓扑以及线圈空间构型，实现刺激强度、刺激深度以及刺激效率均满足要求的靶位刺激。

图1所示为本发明的基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统完整8字形线圈的电路拓扑结构。基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统的结构是：所述的8字形线圈系统的电路拓扑7包括两个第一线圈单元A和第二线圈单元B外切构成8字形线圈结构，第一线圈单元A由第一源线圈1、第一刺激线圈2构成，第二线圈单元B由第二源线圈3、第二刺激线圈4构成。第一刺激线圈2、第二刺激线圈4外切，第一刺激线圈2、第二刺激线圈4均为内径56mm，外径62mm；第一源线圈1内切于第一刺激线圈2，第二源线圈3内切于第二刺激线圈4，且两内切点与第一刺激线圈2、第二刺激线圈4之间的外切点重合，第一源线圈1、第二源线圈3均为内径30mm,外径36mm。所述系统中，第一线圈单元A的电路结构描述如下：第一源线圈1所在电路单元由交流电源AC₁、电阻R₁、电感L₁、电容C₁串联而成，第一刺激线圈2所在电路单元由电阻R₂、电感L₂、电容C₂串联而成；电感L₁与电感L₂之间存在互感。第二线圈单元B的电路结构描述如下：第二源线圈3所在电路单元由交流电源AC₂、电阻R₃、电感L₃、电容C₃串联而成，第二刺激线圈4所在电路单元由电阻R₄、电感L₄、电容C₄串联而成；电感L₃与电感L₄之间存在互感。所述的第一线圈单元A和第二线圈单元B组合成为8字形结构，两单线圈中心连线的中点处放电电流方向一致，在仪器的设计使用中将该处对应于靶位刺激点。

所述第一线圈单元A、第二线圈单元B中的第一源线圈1、第二源线圈3、第一刺激线圈2、第二刺激线圈4所在的电路单元，各电路参数使每个电路单元都构成谐振电路，工作运行时，第一源线圈1、第二源线圈3所在电路单元、第一刺激线圈2、第二刺激线圈4所在电路单元同时发生谐振，并且谐振频率为交流电源AC的供电频率ω₀，与此同时第一源线圈1、第二源线圈3、第一刺激线圈2、第二刺激线圈均能够获得最大电流值，谐振电路中无功功率损耗为零。同时，所述第一线圈单元A和第二线圈单元B描述的两单谐振线圈置于同一平面内，各切点交汇处为刺激靶点。

本发明的基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统依赖于磁谐振耦合原理。第一线圈单元A、第二线圈单元B构成了基于磁谐振耦合原理的8字形结构线圈经颅磁刺激系统的整体电路，其中第一线圈单元A由第一源线圈1、第一刺激线圈2构成，第二线圈单元B由第二源线圈3、第二刺激线圈4构成，第一源线圈1与第一刺激线圈2之间及第二源线圈3与第二刺激线圈4之间都是通过电磁感应的原理实现电能的传递。

通过设计电路拓扑第一线圈单元A中第一源线圈1、第一刺激线圈2的电路参数，使每个电路单元都构成谐振电路，满足谐振特性，即

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{L_1{C}_1}}=\frac{1}{\sqrt{L_2{C}_2}};$

电路拓扑B中各单元参数与A中参数设计相同，可得

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{L_3{C}_3}}=\frac{1}{\sqrt{L_4{C}_4}};$

因此，各个电路单元在工作过程中同时发生谐振，其谐振频率为交流电源AC的供电频率ω₀。与此同时源线圈、刺激线圈以及调节线圈都可以获得最大电流值，谐振电路中无功功率消耗为零，这样有益于提高刺激效率。

以第一线圈单元A为例，说明新型线圈拓扑结构。第一线圈单元A中，第一刺激线圈2、第一源线圈1为同轴排列，并且第一刺激线圈2与第一源线圈1位于空间同一平面内，这种空间结构使得第一刺激线圈2与第一源线圈1的耦合系数较其它排列结构的耦合系数大，第一刺激线圈2与第一源线圈1的强耦合关系，保证了第一刺激线圈2通过电磁感应从第一源线圈1获得较高的能量。

图2所示为基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统的线圈空间构型。图2中第三源线圈9对应于电路拓扑结构中第一线圈单元A的第一源线圈1，第三刺激线圈8对应于第一线圈单元A的第一刺激线圈2；第四源线圈11对应于电路拓扑结构中第二线圈单元B的第一源线圈2，第四刺激线圈10对应于第二线圈单元B的第二刺激线圈4。由图2可以清楚地看出基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统的线圈排列形式。

图3-1、图3-2分别描述了在传统8字形线圈和基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统刺激下，头颅模型表层电流密度分布情况。图3-1和图3-2中，传统8字形线圈和基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统刺激下的电流密度峰值均出现在与线圈切点距离最短的靶位点上；传统8字形线圈刺激所得电流密度峰值为8.5A/m²，基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统刺激所得电流密度峰值为80A/m²，即本发明的基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统与传统8字形线圈相比，局部刺激强度提高近9倍。

图4所示为传统8字形线圈和基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统能量利用效率与局部刺激强度对比图。由图中数据可以看出，基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统与传统8字形线圈相比，局部刺激强度提高近9倍，能量利用效率提高超过3倍。

Claims (3)

1.一种基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统，其特征是：所述的8字形线圈经颅磁刺激系统即电路拓扑(7)，所述电路拓扑(7)包括第一线圈单元A和第二线圈单元B外切构成8字形线圈结构，第一线圈单元A包括第一源线圈(1)、第一刺激线圈(2)，第二线圈单元B包括第二源线圈(3)、第二刺激线圈(4)，第一刺激线圈(2)、第二刺激线圈(4)之间外切，第一刺激线圈(2)、第二刺激线圈(4)均为内径56mm，外径62mm；第一源线圈(1)内切于第一刺激线圈(2)，第二源线圈(3)内切于第二刺激线圈(4)，且两内切点与第一刺激线圈(2)、第二刺激线圈(4)之间的外切点重合，第一源线圈(1)、第二源线圈(3)均为内径30mm，外径36mm；所述系统中第一线圈单元A的电路结构描述如下：第一源线圈(1)所在电路单元由交流电源AC₁、电阻R₁、电感L₁、电容C₁串联而成，第一刺激线圈(2)所在电路单元由电阻R₂、电感L₂、电容C₂串联而成，电感L₁与电感L₂之间存在互感；第二线圈单元B的电路结构描述如下：第二源线圈(3)所在电路单元由交流电源AC₂、电阻R₃、电感L₃、电容C₃串联而成，第二刺激线圈(4)所在电路单元由电阻R₄、电感L₄、电容C₄串联而成；电感L₃与电感L₄之间存在互感，所述的第一线圈单元A、第二线圈单元B组合成为8字形结构，两线圈单元中心连线的中点处放电电流方向一致，在所述中点处对应于靶位刺激点。

2.根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统，其特征是：所述第一线圈单元A、第二线圈单元B中的第一源线圈(1)、第二源线圈(3)、第一刺激线圈(2)、第二刺激线圈(4)所在的电路单元，各电路参数使每个电路单元都构成谐振电路，工作运行时，第一源线圈(1)、第二源线圈(3)所在电路单元、第一刺激线圈(2)、第二刺激线圈(4)所在电路单元同时发生谐振，并且谐振频率为交流电源AC的供电频率ω₀，与此同时第一源线圈(1)、第二源线圈(3)、第一刺激线圈(2)、第二刺激线圈均能够获得最大电流值，谐振电路中无功功率损耗为零。

3.根据权利要求2所述的基于磁谐振耦合原理的8字形线圈经颅磁刺激系统，其特征是：所述第一线圈单元A和第二线圈单元B描述的两单谐振线圈置于同一平面内，各切点交汇处为刺激靶点。