CN111135465A - 一种基于时间干涉的深部经颅磁线圈刺激装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于时间干涉的深部经颅磁线圈刺激装置，包括两个线圈单元和两个高频发生器，其特征在于，两个线圈单元设为第Ⅰ线圈单元和第Ⅱ线圈单元，第Ⅰ线圈单元上施加的刺激电流为电流Q1，第Ⅱ线圈单元上施加的刺激电流为Q2，空间上，第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元分别位于大脑的两侧，且第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元之间的夹角为θ，第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元上施加的刺激电流方向在初始时刻是相同的，且第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元上施加的刺激电流均为正弦波电流第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元上刺激电流的幅值相同，但频率不同，均为不低于1000Hz的高频，差值为大脑的节律。
Description
技术领域
本发明涉及经颅磁刺激技术，特别是一种在保证刺激效果同时实现大脑组织定位刺激的线圈。
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，一直以来，广泛采用的刺激形式依旧是传统的单脉冲或多脉冲的刺激形式，其刺激强度较强，尤其是对大脑表层，肌肉等组织可能会产生一定程度的损伤，且不能实现对脑组织重点区域的定位刺激。
近年来，科研人员已经进行了大量尝试来改善TMS存在的诸多问题，尽管各种形式线圈的设计在保证刺激效果良好的同时，一定程度上减弱了对表皮和肌肉组织的刺激强度，但依旧不能实现在不刺激其他组织的情况下，实现对特定组织，对特定区域的定位刺激。
发明内容
针对现有TMS技术存在的不足，本发明提出一种基于时间干涉的深部经颅磁线圈刺激装置，利用生物组织的低通特性，通过施加频率不同的刺激电流，在不刺激到表皮、肌肉等表层组织的情况下，用来实现对脑组织的定位刺激。为实现上述目的，本发明采用的技术方案：
一种基于时间干涉的深部经颅磁线圈刺激装置，包括两个线圈单元和两个高频发生器，其特征在于，两个线圈单元设为第Ⅰ线圈单元和第Ⅱ线圈单元，第Ⅰ线圈单元上施加的刺激电流为电流Q1，第Ⅱ线圈单元上施加的刺激电流为Q2，空间上，第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元分别位于大脑的两侧，且第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元之间的夹角为θ，第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元上施加的刺激电流方向在初始时刻是相同的，且第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元上施加的刺激电流均为正弦波电流，分别为Q1＝A×sin(2π×f1×t),Q2＝A×sin(2π×f2×t)，其中A为刺激电流的幅值，f1为第Ⅰ线圈单元刺激电流的频率，由第一高频发生器1产生，f2为第II线圈单元刺激电流的频率，由第二高频发生器产生，t为刺激时刻；第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元上刺激电流的幅值相同，但频率不同，且f1和f2均为不低于1000Hz的高频，但f1和f2之间的差值为大脑的节律。
f1和f2均为不低于1000Hz的高频。在两个线圈单元施加的电流幅值为20A，频率f1为1kHz，f2为1.02kHz。两个线圈单元的内直径为80mm，外直径为120mm。
本发明的有益效果是：基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈，利用了线圈的贯穿特性，增加了刺激深度和刺激强度；线圈上施加不同频率的刺激电流，可以用来实现对大脑组织的定位刺激，从而防止了对头皮和肌肉组织等表层组织的损伤，保障了受试者的安全性。
附图说明
图1为基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈单元的空间结构示意图。
图2为基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈单元空间结构和真实头部模型示意图；
图3是传统线圈和本发明的线圈在大脑表皮和肌肉组织处磁感应强度和感应电流密度的对比图。图3(a)、图3(b)分别为基于单脉冲刺激的传统线圈和本发明的一种基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈，在大脑表皮和肌肉组织处磁感应强度和感应电流密度的对比图。
图4是传统线圈和本发明的线圈在大脑表皮、肌肉组织处电场强度对比图。图4(a)为基于单脉冲刺激的传统线圈和本发明的一种基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈，在大脑表皮、肌肉组织处电场强度对比图；图4(b)为基于单脉冲刺激的传统线圈和本发明的一种基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈，在大脑表皮、肌肉组织处的电场强度的减少率对比图。
图5在选定深度处局部刺激强度和聚焦性的仿真图，图5(a)为基于单脉冲刺激的传统线圈在选定深度处局部刺激强度和聚焦性的仿真图；图5(b)为本发明的一种基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈，在选定深度处局部刺激强度和聚焦性的仿真图。
图6为在本发明的一种基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈刺激下，大脑冠状面电场随时间的周期性变化过程。
图中：
1、第Ⅰ线圈单元 2、第Ⅱ线圈单元 3、双线圈夹角
4、第Ⅰ线圈单元电流 5、第Ⅱ线圈单元电流 6、高频发生器1
7、高频发生器2 8、大脑模型
具体实施策略
结合附图对本发明的本发明的一种基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈做进一步详细描述。
本发明的一种基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈是由两个线圈单元和施加在两个线圈单元上的刺激电流构成，Ⅰ、Ⅱ线圈单元内外直径分别为80mm和120mm，且距离头皮距离为5～10mm。ⅠⅡ线圈单元绕组均是由铜线绕制而成，其横截面积为100mm2，线圈匝数为50匝。
图1为本发明的一种基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈的空间结构示意图。空间上，第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元分别位于大脑的两侧，且第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元之间的夹角θ为180°。第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元上施加的刺激电流方向在初始时刻是相同的，且第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元上施加的刺激电流均为正弦波电流，分别为Q1＝A×sin(2π×f1×t),Q2＝A×sin(2π×f2×t)，其中A为刺激电流的幅值，为20A，f1为线圈I刺激电流的频率，由高频发生器1产生，f2为线圈II刺激电流的频率，由高频发生器2产生，t为刺激时刻。第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元上刺激电流的幅值相同，但频率不同，且f1和f2为均为高频，分别为1kHz和1.02kHz，且f1和f2之间的差值为大脑的节律，为低频。
图2为本发明的一种基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈的空间结构与真实头部模型的相对位置示意图。第Ⅰ线圈单元与第Ⅱ线圈单元之间的夹角θ为180°，且两线圈距离大脑表皮的距离为5-10mm。
图3(a)、图3(b)分别描述了在基于单脉冲刺激的传统线圈和基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈刺激下，头颅模型表层和肌肉组织处磁感应强度和感应电流密度的分布对比情况。从图3(a)、图3(b)中可以看到，在传统刺激策略和基于双线圈时间干涉的新型的深部经颅磁刺激策略下，头颅模型表层和肌肉组织处磁感应强度峰值分别为0.02T和0.004T；在眼球即视神经处的磁感应强度峰值分别为0.018T和0.003T；头颅模型表层感应电流峰值分别为0.8A/m2和0.1A/m2；在肌肉组织处的感应电流峰值分别为0.7/m2和0.1A/m2，因此本发明的一种基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈能够实现在头皮、肌肉组织处刺激强度的减弱。
图4(a)为基于单脉冲刺激的传统线圈和本发明的基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈刺激在大脑表皮处、肌肉组织处电场强度的对比图；图4(b)为本发明的基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈相比于传统刺激策略在头皮、肌肉组织处的电场强度减少率对比图。
定义α为电场减少率：
其中E传统代表在基于单脉冲刺激
的传统线圈刺激下，大脑表皮处和肌肉组织处的电场强度值；E新型代表在本发明的基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈下，大脑表皮处和肌肉组织处电场强度值。从图4(a)、图4(b)中可以看出，基于单脉冲刺激的传统线圈和本发明的基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈刺激下，头颅模型表层电场强度峰值分别为3V/m和0.5V/m，在肌肉组织处的电场强度峰值分别为2.8V/m和0.5V/m，电场强度减少率分别为83％和82％。
图5(a)和图(b)分别描述了在基于单脉冲刺激的传统线圈和基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈刺激下，在大脑皮层表面，电场的刺激强度和聚焦情况。由图5(a)和图(b)可知基于单脉冲刺激的传统线圈和基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈在皮层的刺激强度相当，但在聚焦情况上，图5(a)基于单脉冲刺激的传统线圈的刺激是全脑域的刺激，会刺激到大脑皮层的所有区域，而图5(b)中，本发明的基于时间干涉的深部经颅磁刺激线圈可以在几乎不刺激到非相关区域的情况下，实现对脑组织，对皮层不同的区域的定位刺激。
图6是真实人脑模型中，冠状面电场随时间做周期性变化的过程示意图，该图的刺激参数为：线圈夹角为180°，两个线圈的电流均为20A，左侧线圈为1kHz,右侧线圈为1.02kHz。图6(a)-(f)分别是0、2/160、4/160、5/160、6/160、8/160(s)时刻的电场空间分布图。图(a)在0时刻，两侧线圈的电场均为最大值，且方向相同；图6(b)是在2/160时刻，此时，左侧线圈电场其主要刺激作用，右侧线圈电场值为0；图6(c)是4/160时刻，此时，两侧线圈电场再次达到最大值，但反向相反，因此，图6(c)电场空间分布同图6(a)有着明显的区别；图6(d)是5/160时刻，右侧线圈电场起主要刺激作用，左侧线圈电场为0；图6(e)是6/160时刻，此时电场分布同图6(b)；图6(f)是8/160时刻，此时，电场分布同图6(a)。由此可知，电场空间分布是呈现周期性变化，周期为8/160(s),即电场频率为20Hz。
Claims (4)
1.一种基于时间干涉的深部经颅磁线圈刺激装置，包括两个线圈单元和两个高频发生器，其特征在于，两个线圈单元设为第I线圈单元和第II线圈单元，第I线圈单元上施加的刺激电流为电流Q1，第II线圈单元上施加的刺激电流为Q2，空间上，第I线圈单元与第II线圈单元分别位于大脑的两侧，且第I线圈单元与第II线圈单元之间的夹角为θ，第I线圈单元与第II线圈单元上施加的刺激电流方向在初始时刻是相同的，且第I线圈单元与第II线圈单元上施加的刺激电流均为正弦波电流，分别为Q1＝A×sin(2π×f1×t)，Q2＝A×sin(2π×f2×t)，其中A为刺激电流的幅值，f1为第I线圈单元刺激电流的频率，由第一高频发生器1产生，f2为第II线圈单元刺激电流的频率，由第二高频发生器产生，t为刺激时刻。第I线圈单元与第II线圈单元上刺激电流的幅值相同，但频率不同，且f1和f2均为不低于1000Hz的高频，但f1和f2之间的差值为大脑的节律。
2.根据权利要求1所述的线圈刺激装置，其特征在于，f1和f2均为不低于1000Hz的高频。
3.根据权利要求1所述的线圈刺激装置，其特征在于，在两个线圈单元施加的电流幅值为20A，频率f1为1kHz，f2为1.02kHz。
4.根据权利要求1所述的线圈刺激装置，其特征在于，两个线圈单元的内直径为80mm，外直径为120mm。
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