CN109745621A - 一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈，包括第一、第二和第三三个组合线圈单元和一个圆形线圈单元，每个组合线圈单元包括一个外部大线圈和位于其内部的相互相切的五个相同的小线圈，空间上第一组合线圈位于上部并与圆形线圈单元平行，圆形线圈单元半径最大，另外两个组合线圈单元相互平行，与第一组合线圈垂直并分立两侧，三个组合线圈单元中外部大线圈的电流方向与内部位于中心的小线圈的电流方向相同，且与其余四个相切的小线圈的电流方向相反；第一组合线圈的外部大线圈和圆形线圈单元采用顺时针的电流方向，第二组合线圈和第三组合线圈的外部大线圈分别采用逆时针方向和顺时针方向电流。
Description
技术领域
本发明涉及经颅磁刺激技术，特别是一种增加刺激靶点的同时可以减弱头皮处、眼球及视神经处电场强度的多圆相切的立体线圈。
背景技术
经颅磁刺激(TMS)是一种无创生物刺激技术，它利用时变磁场产生感应电场，引起生物电流在组织中传导，改变大脑皮层神经细胞的动作电位，影响脑内代谢和神经电活动。而深部经颅磁刺激(dTMS)在刺激皮层神经的同时，实现对海马、丘脑等深部组织的刺激，对多种神经疾病的致病机制和治疗方法的研究有着重要的意义。自从1985年Barker等人成功地利用磁刺激技术首次在人体上实现大脑皮层的中枢神经刺激以来,TMS就受到人们的广泛关注。研究人员设计了多种形式的线圈，现在常用的线圈形式有圆形线圈，八字形线圈，H形线圈等。然而，存在的线圈拓扑不能将感应电场集中到目标区域并且减弱因较强的电场强度对表皮和肌肉组织的损伤，从而影响着深脑治疗效应。为准确进行刺激，线圈产生的电磁场强度、刺激深度和聚焦性都需要达到一定的要求。
近年来，科研人员已经进行了大量尝试来改善TMS设计的刺激深度和焦点的性能。单个线圈对大脑的刺激效果有限，科研人员不断尝试，提出了将传统圆形线圈和Halo线圈结合的刺激形式(HCA)，以此来得到更好的刺激效果。然而，该技术目前还存在一些问题，其中最为突出的是刺激范围大，针对性不强，不能准确有效地刺激目标，同时，在头皮处和眼球及视神经处的电场强度过大，极易引起身体不适。因此，保证线圈具有良好刺激效果的同时，也需要减小头皮处和眼球及视神经处的电场强度。
发明内容
针对现有TMS技术存在的不足，本发明提出一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈，利用多种线圈的组合，可以增加聚焦性，加大大脑皮层处等组织的刺激强度，同时减小头皮、眼球及视神经处的电场强度。为实现上述目的，本发明采用的技术方案：
一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈，包括第一、第二和第三三个组合线圈单元和一个圆形线圈单元，每个组合线圈单元包括一个外部大线圈和位于其内部的相互相切的五个相同的小线圈，空间上第一组合线圈位于上部并与圆形线圈单元平行，圆形线圈单元半径最大，另外两个组合线圈单元相互平行，与第一组合线圈垂直并分立两侧，三个组合线圈单元中外部大线圈的电流方向与内部位于中心的小线圈的电流方向相同，且与其余四个相切的小线圈的电流方向相反；第一组合线圈的外部大线圈和圆形线圈单元采用顺时针的电流方向，第二组合线圈和第三组合线圈的外部大线圈分别采用逆时针方向和顺时针方向电流。
该设计可以在保证刺激深度和刺激效果的同时，有效减少头皮处和眼球及视神经处的电场强度。ⅠⅡIII线圈单元中，内部相切的5个线圈会产生四个聚焦点，利用8字形线圈的聚焦特性，对大脑皮层实现多点刺激，且小线圈的数目可变，对刺激点的位置和数目可根据需求进行变化。本发明的有益效果是：多圆相切的立体线圈设计，利用多种线圈的组合，增加了刺激深度，加大了大脑皮层处等重点组织的刺激强度；利用ⅠⅡIII线圈单元中八字形线圈的聚焦特性，提高了聚焦性，实现对皮层的多点刺激；同时，通过配置不同线圈的电流方向，减小了头皮和眼球及视神经处的电场强度，保障了实验对象的安全性，实现了对脑组织的有效刺激。
附图说明
图1-1为HCA线圈单元空间结构和电流方向示意图。图1-2本发明的一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计的线圈单元空间结构和电流方向示意图。
图2-1为HCA线圈单元空间结构和真实头部模型示意图；图2-2为本发明的用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计的线圈单元空间结构和真实头部模型示意图。
图3-1、图3-2分别为HCA线圈单元和本发明的用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计刺激时，在大脑表皮、眼球及视神经处磁感应强度和感应电流密度的对比图。
图4-1为HCA线圈和本发明的一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计在大脑表皮、眼球及视神经处电场强度对比图；图4-2为HCA线圈和本发明的一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计在大脑表层、眼球及视神经处的电场强度的减少率对比图。
图5-1为HCA线圈在选定深度处局部刺激强度和聚焦性的仿真图；图5-2为本发明的一张用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计在选定深度处局部刺激强度和聚焦性的仿真图。
图中：
1、传统圆形线圈 2、Halo线圈 3、第Ⅰ线圈单元
4、第Ⅱ线圈单元 5、第III线圈单元 6、第Ⅳ线圈单元
7、大脑模型
具体实施方式
结合附图对本发明的一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计做进一步详细描述。
本发明的一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计是由四个线圈单元构成的，Ⅰ线圈单元中，大线圈的内外直径分别为60mm和70mm，位于大线圈内部的五个小线圈的内外直径分别为10mm和20mm。ⅠⅡIII线圈单元采用相同的线圈直径，且距离头皮距离为5～10mm。Ⅳ线圈单元的内外直径为130mm和140mm。HCA线圈和本发明的用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计中的线圈绕组均是由铜线绕制而成，其横截面积为25mm2，线圈匝数为50匝。
图1-1为HCA线圈的空间结构和电流方向示意图；图1-2为本发明的一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计的线圈空间结构和电流方向示意图。ⅠⅡIII线圈单元均是由一个外部的圆形线圈和五个相同的小线圈构成的，其中，位于中心的小线圈与外部大线圈共圆心，围绕在中心小线圈的四个相同的线圈，同时与中心小线圈和外部大线圈相切。空间上第Ⅰ线圈单元与第Ⅳ线圈单元平行，第Ⅱ线圈单元与第III线圈单元平行，且与第Ⅰ和第Ⅳ线圈单元垂直。ⅠⅡIII线圈单元中外部大线圈的电流方向与内部中心小线圈的电流方向相同，且与其余四个相切的小线圈的电流方向相反。第Ⅰ线圈单元的外部大线圈和第Ⅳ线圈单元采用顺时针的电流方向，第Ⅱ线圈和第III线圈单元的外部大线圈分别采用逆时针方向和顺时针方向电流。
图2为本发明的一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计的线圈单元空间结构和真实头部模型示意图。其中H1为线圈单元距离表皮的距离，H2为Ⅰ线圈单元与Ⅳ线圈单元之间的距离，Ⅳ线圈单元放置的位置一般为眼眶附近。
图3-1、3-2分别描述了在HCA线圈单元和用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计的刺激下，头颅模型表层和眼球及视神经处磁感应强度和感应电流密度的分布对比情况。从图3-1、3-2中可以看到HCA线圈单元和用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计的刺激下，头颅模型表层和眼处磁感应强度峰值分别为2.9T和3.9T；在眼球即视神经处的磁感应强度峰值分别为1.2T和1.0T；头颅模型表层感应电流峰值分别为45A/m2和42A/m2；在眼球及视神经处的感应电流峰值分别为15.3A/m2和13.2A/m2，及本发明的一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计能够实现在头皮、眼球及视神经处刺激强度的减弱。
图4-1为HCA线圈和本发明的一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计在大脑表皮处、眼球及视神经处电场强度的对比图；图4-2为本发明的用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计相比于HCA线圈在头皮、眼球及视神经处的电场强度减少率对比图。
定义α为电场减少率：
其中EHCA代表在HCA线圈的刺激下，大脑表皮处和眼球处的电场强度值；EMulti-coil代表在本发明的用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计的刺激下，大脑表皮处和眼球处电场强度值。从图4-1、图4-2中可以看出，HCA线圈单元和用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计的刺激下，头颅模型表层电场强度峰值分别为152.3V/m和131.2V/m，在眼球及视神经处的电场强度峰值分别为49.5V/m和40.2V/m，电场强度减少率分别为13％和19％。
图5-1、图5-2分别描述了在HCA线圈和用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计刺激下，在大脑皮层表面，电场的刺激强度和聚焦情况。由图5-1、图5-2可知HCA线圈和用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计刺激强度峰值分别为141V/m和151V/m，本发明的用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈设计相比HCA线圈，刺激强度增加了7％，刺激强度更大，且聚焦度更高，聚焦性有了更好的提升。
Claims (1)
1.一种用于深部经颅磁刺激的多圆相切的立体线圈，包括第一、第二和第三三个组合线圈单元和一个圆形线圈单元，每个组合线圈单元包括一个外部大线圈和位于其内部的相互相切的五个相同的小线圈，空间上第一组合线圈位于上部并与圆形线圈单元平行，圆形线圈单元半径最大。另外两个组合线圈单元相互平行，与第一组合线圈垂直并分立两侧，三个组合线圈单元中外部大线圈的电流方向与内部位于中心的小线圈的电流方向相同，且与其余四个相切的小线圈的电流方向相反；第一组合线圈的外部大线圈和圆形线圈单元采用顺时针的电流方向，第二组合线圈和第三组合线圈的外部大线圈分别采用逆时针方向和顺时针方向电流。
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