CN113144426A - 一种改进的细胞级f/c结构的微磁线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，属于生物医学工程领域，实现了一种细胞级的微磁刺激，具有定位准确，高空间分辨率的优点，可应用于神经精神疾病的诊断和治疗。步骤为：研究固定尺寸100μm×100μm平面方形螺旋线圈线宽、匝数、厚度，间距，确定线圈的具体结构参数；在确定线圈结构的基础上，研究覆盖磁屏蔽层的微线圈在不同结构下的性能参数，确定覆盖磁性层线圈的结构为F/C结构；研究了不同磁屏蔽层图案、磁屏蔽层图案的厚度、间距和宽度对微线圈电感L和磁感应强度B的影响，从而确定细胞级F/C结构微信线圈的具体几何参数。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈。
背景技术
精神疾病是脑功能异常导致认知、情感、意志和行为紊乱的一类疾病，包括阿尔兹海默症、精神分裂症、自闭症和抑郁症等。电磁刺激技术是目前诊断、治疗和研究神经精神疾病的一个主要手段。目前主要技术有电刺激(Electrical Stimulation，ES)和经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)；电刺激包括深部脑刺激(Deep BrainStimulation，DBS)、颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)。临床试验表明TMS对于治疗许多神经系统疾病，如重性抑郁症和阿尔兹海默症等都具有治疗益处。虽然，DBS和TMS对脑活动的影响以及这些影响如何改变相应行为有了一定的认识，但是二者在应用中仍存在一些技术和生物学限制。应用DBS进行治疗的患者进行磁共振成像检查可能导致在刺激电极末端过度发热而导致神经损伤，DBS刺激电极直接接触生物组织，组织的炎症和免疫反应可能改变治疗效果。TMS线圈较大(尺寸：10-20cm)，磁场强度会随着场源距离的平方增大而减小，难以定位大脑深部目标区域，具有较低的空间分辨率。
微磁刺激(Micro-magnetic stimulation，μMS)是一种新兴的神经刺激技术，有望彻底改变人类神经系统的治疗刺激。该技术是使用亚毫米大小的线圈刺激神经元组织，通过微观线圈中通入时变的电流，在组织的聚焦区域产生分散的磁通密度来实现刺激。由于它的微观尺寸，可以将μMS线圈锐利地植入深部脑结构中，提供类似DBS实现的效果的治疗刺激。这种新型的非侵入性神经μMS技术，已经近证明在体外引发神经元激活的可行性。μMS线圈可以定位在与神经组织相邻的或紧邻的地方，因此，与TMS技术相比，引起神经元活动所需的功率明显降低。
2012年哈佛大学团队提出了采用螺旋形线圈电感器(RF 0402 inductor)可以激活神经元组织；2017年首次提出了0.316mm×0.316mm平面螺旋线圈的结构用于大脑神经元的刺激；2017年，Seung Woo Lee提出了可用于植入皮层内刺激的单层平面型线圈，刺激强度为50000V/m2；2017年，Giorgio Bonmassar等人证明了单层平面螺旋形结构比螺线管结构的微线圈在诱导神经激活方面效率更高，在组织中能产生高达5倍的电场，并且能量集中在线圈中心区域。2016年，M.E.Rizou等人首次提出了一种基于平面方形螺旋6×6阵列式微磁刺激线圈结构。2018年，Giorgio Bonmassar等人制作了一种加强型单层平面螺旋形线圈结构，尺寸为300μm×300μm×100μm，该结构产生的磁通量比普通平面螺旋形线圈的效果更好。2018年，Yumei Wen等人分析了软磁层中间夹线圈的结构对线圈电感数值变化的影响参数。2018年，Yao Wang等人提出一种用于敏感磁场检测的叠加多层磁屏蔽层的结构，该结构可以提高线圈电感的数值。2018年，Fapeng Song等人提出了一种磁性薄膜/平面线圈多层耦合电感器结构，利用强互耦合在相对较低的工作频率下实现了磁探测传感器的高灵敏度。
微磁线圈存在电感值L小，功耗大，磁感应强度B弱且分布不均匀等问题；金属夹层结构的电感器，利用软磁材料的高磁导率可以提高平面线圈的电感，但是效率也不高，同时该结构引入了高交流导体损耗和高涡流。因此，发展一种具有高灵敏度、高空间分辨率的微磁刺激器，完成对神经元轴突方向的定向激活，对于治疗癫痫、抑郁等精神疾病具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是解决神经细胞的定向磁刺激，实现高空间分辨率的问题，提供一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈。
一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，是由磁性薄膜、线圈和焊盘组成。所述磁性薄膜是镍铁合金，带四周包围的磁性薄膜；所述微线圈是平面方形螺旋线圈；所述焊盘是线性焊盘。
所述F/C结构微磁线圈为带四周包围的覆盖单磁性层的微线圈，线圈与磁屏蔽层间隙g1＝500nm。
所述微线圈的材料为Cu、Au中的一种，线圈的线度为2μm，匝数为8，间距为4μm，微磁线圈大小为100μm×100μm，线圈厚度为1.7μm。
所述焊盘大小为100μm×100μm，形状为线形焊盘，材料为Cu、Au中的一种，线宽为2μm，厚度为1.7μm。
所述磁性层大小为100μm×100μm，形状为平面方形，、磁屏蔽层厚度tm＝2μm和宽度w＝100μm x100μm。
本发明的优点和积极效果是：
本发明所述一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，可以实现神经细胞的定向磁刺激，该细胞级的微线圈，在磁场强度和Z方向上的作用深度都得到了加强，磁场也更加的均匀，线圈电感数值也得到了大大的提升，从而提高了微磁线圈的品质因数。该方法对于设计一种具有高灵敏度、高空间分辨率的微磁刺激器，完成对神经元轴突方向的定向激活，对于治疗癫痫、抑郁等精神疾病具有重要意义。
附图说明
图1是细胞级F/C结构的微磁线圈结构示意图。
图2是细胞级F/C结构的微磁线圈示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
实施方式一：
第一步：通过Comsol软件建模与仿真，确定固定尺寸100μm×100μm下，平面方形微线圈的线宽、匝数、厚度，间距等参数。
第二步：研究四种不同细胞级微磁线圈的结构，不同结构下线圈的性能参数，确定适合细胞微磁刺激的F/C结构。
第三步：在F/C结构的基础上，研究不同磁屏蔽层图案对微磁线圈电感L、B的影响，确定磁屏蔽层的图案。
第四步：研究磁屏蔽层与微磁线圈不同间距g1在不同磁导率下的电感L、磁感应强度B，确定磁屏蔽层与微线圈的间距g1。
第五步：在确定间距g1的情况下，研究不同磁屏蔽层厚度tm在不同磁导率下的电感L和磁感应强度B，确定磁屏蔽层的厚度tm。
第六步：在确定g1、tm的情况下，研究不同磁屏蔽层宽度wm在不同磁导率下的电感L和磁感应强度B，确定磁屏蔽层的宽度wm。
第七步：根据上述参数，最终确定细胞级微磁线圈的具体结构参数。
Claims (8)
1.一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，其特征在于，包括：
微线圈的结构；所述微线圈结构为平面方形螺旋线圈的结构；所述平面方形螺旋线圈结构为固定尺寸100μm×100μm的微线圈；
将所述微线圈上覆盖磁屏蔽层，构成不同的结构，研究不同结构下微线圈的参数，确定覆盖磁屏蔽层的微磁线圈的结构为F/C结构；
将所述细胞级F/C结构的微磁线圈，研究不同磁屏蔽层图案，磁屏蔽层与微磁线圈不同间距gl，磁屏蔽层厚度tm和宽度Wm对线圈性能参数的影响。
依据所述gl，tm和Wm对微线圈性能参数的影响，最终确定F/C结构的具体几何参数。
2.根据权利要求1所述的一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，其特征在于，所述微线圈的大小为100μm×100μm。
3.根据权利要求1所述的一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，其特征在于，所述固定尺寸的微线圈为平面方形螺旋线圈，线度为2μm，线厚1.7μm，间距为4μm，匝数为8。
4.根据权利要求1所述的一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，其特征在于，所述微线圈的结构为带四周包围磁屏蔽层的覆盖线圈的结构，即F/C结构。
5.根据权利要求4所述的一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，其特征在于，所述细胞级F/C结构的微磁线圈，磁屏蔽层图案为平面方形图案。
6.根据权利要求4所述的一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，其特征在于，所述细胞级F/C结构的微磁线圈，磁屏蔽层与线圈的间隙为500nm。
7.根据权利要求4所述的一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，其特征在于，所述细胞级F/C结构的微磁线圈，磁屏蔽层的厚度为2μm，宽度为100μm×100μm。
8.根据权利要求1所述的一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，其特征在于，所述细胞级F/C结构的微磁线圈的焊盘大小为100μm×100μm，形状为线形焊盘，材料为Cu、Au中的一种，线宽为2μm，厚度为1.7μm。
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