CN114042250A - 一种用于海马脑深部定向磁刺激的亚毫米尺寸平面方形双螺旋线圈的装置设计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于海马脑深部定向磁刺激的亚毫米尺寸平面方形双螺旋线圈的装置设计，理论计算了不同的线圈边缘长度(m)，横截面积(m2)的电感强度大小，并通过仿真研究了八字微型线圈的图案、厚度、间距和宽度对微线圈电感L、磁强度B的分布和质量因子Q的影响，通过光刻技术实现八字微型磁线圈的实际制作，最后研究了其生物应用验证，将微型八字线圈植入到海马脑深部后对神经细胞去极化的影响从而证明其可行性，开发了一种确定结构几何参数的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于海马脑深部定向磁刺激的亚毫米尺寸平面方形双螺旋线圈的装置设计，解决其结构设计及聚焦性方法探究，优化微型线圈的设计，完成大脑靶区的定向神经磁刺激，本发明提供一种新的植入式微型磁刺激装置结构，对于临床进一步应用植入式磁刺激装置治疗神经精神疾病具有十分重要的意义，本发明归属于生物医学工程等领域。
背景技术
经颅磁刺激(TMS)是一种成熟的神经精神疾病的非侵入性治疗技术，其作用效果与施加的参数有关，高强度、高频率的TMS作用时，可导致刺激部位神经细胞出现兴奋状态，而低频TMS刺激则会产生相反的效果，因此，TMS可以通过双向调节大脑抑制与兴奋功能来干预神经细胞活动，对于不同精神疾病的大脑功能状况，需用不同的强度、频率、刺激部位、线圈方向来调整，才能取得良好的治疗效果。
然而，TMS线圈尺寸较大(尺寸：10-20cm)，随着场源距离的平方增加，磁场的强度也会随之减小。因此，传统磁刺激方法具有较低的空间分辨率，可能会对脑区其他正常生理活动产生未知影响，且磁刺激难以定位大脑深部目标区域，作用于靶向病灶区的实际磁场强度无法测量确定。
随着现代微加工技术和真空表面处理技术的发展，已经能够满足亚毫米尺寸线圈的设计与制作，一种新型的微磁刺激神经调控技术近年受到广泛关注，其通过细胞量级大小的微线圈靠近目标区，实现磁场对大脑深部神经核团的靶向精准调控。
然而，微磁线圈的局限性包括电感小、功耗大、磁感应分布弱、不均匀，在电感器中使用金属夹层结构可以利用软磁性材料的高磁导性来提高平面线圈的电感，但是，它的局限性包括低效率、高交流导体损耗和高涡流。尽管目前这类“瓶颈问题”受到广泛关注，但目前提出的磁刺激手段仍然存在尺寸较大、聚焦性和靶向性差等缺点，有效的解决方案仍相对稀缺，因此，更多的“建设性”方法和磁刺激装置需要被提出和研究。
因此，为了进一步解决上述这类问题，本发明设计一款用于海马脑深部磁刺激的亚毫米尺寸改进型八字线圈，并通过研究理论计算、仿真建模及装置开发，设计了一种确定结构几何参数的方法，进一步提高了微线圈的聚焦性等，本发明为提高磁刺激治疗技术提供一种新的方法。
发明内容
本发明提出了一种用于海马脑深部定向磁刺激的亚毫米尺寸平面方形双螺旋线圈的装置设计，通过理论计算、仿真建模及装置设计证明了所涉及的亚毫米尺寸八字线圈的可行性，本发明为提高磁刺激治疗技术提供一种新的方法。
本发明的技术方案：在提出的八字微型磁神经刺激线圈中，首先进行理论计算，计算线圈的相应参数，其次，对涉及的八字微型磁线圈进行仿真，得到线圈产生的磁场强度大小，最后，设计用于海马脑深部磁刺激的亚毫米尺寸改进型八字线圈，并应用相同的时变电流通过两个线圈，在每个线圈周围产生两个时变磁场，根据法拉第感应定律，这些时变磁场会通过产生虚拟阴极和虚拟阳极，在进行神经调控时，使阴极端超极化来激发神经组织，阳极端去极化，通过生物实验证明了所设计的八字微型磁线圈能够激活神经细胞，从而说明了所设计八字亚毫米尺寸微磁线圈的可行性。
具体方法如下：
(1)八字微型磁线圈理论计算
首先，本发明设计的微型亚毫米尺寸线圈为方形平面螺旋形状线圈，其电阻计算如下：
其中，l为线圈边缘长度(m)，A为横截面积(m2)，ρ为电阻率，使用改进的Wheeler公式计算线圈的电感L的大小为：
进一步对Wheeler公式进行修改，以考虑线圈的拓扑结构的跟踪厚度，可以得到：
其中，h为轨迹高度(m)，线圈的电容(F)计算如下：
其中ε为真空介电常数(F/m)，r0为导线半径(m)，D为一对转弯之间的距离(m)。而品质因数则为：
其中，f为频率(Hz)，L为电感(H)，Rt为跟踪电阻(Ω)，而其可以储存的最大能量为：
其中A为磁势，而VOA(m3)则为：
根据法拉第定律，磁刺激会诱导感应电场(E)来刺激神经元，
其中，E为电场(V/m)，B为磁场(T)，T为时间(s)。
而根据Onderdonk公式可以得到单个脉冲的融合电流为：
其中，Amin为所需的最小跟踪区域(m2)，t为脉冲(s)，ps为被设置以解释脉冲形状，Ipeak为峰值电流(A)。
(2)八字微型磁线圈仿真
本发明进行了一系列的数值模拟，通过改变物理和电气参数，同时保持低阻值来优化八字微型磁线圈的设计，以达到最大聚焦性和深度刺激装置。对神经细胞进行磁刺激时，为了保证微磁线圈表面的生物相容性和所有暴露的导电部件的电绝缘，需要在微磁线圈表面涂上600nm厚的聚对二甲苯涂层。
本发明利用COMSOL Multiphysics 5.2a有限元法(FEM)求解线圈产生的磁场强度，平面螺旋线圈几何设计为2个100μm矩形螺旋线圈，轨迹宽度为1.60μm，两个螺旋线圈之间的距离为2μm，并将两个平面螺旋线圈对齐，两个平面线圈为镜像排布(即向同一方向流动的电流)。
同时，仿真所设计的八字微型线圈的图案、厚度、间距和宽度对微线圈电感L、磁强度B的分布和质量因子Q的影响，并根据实际需要可以进行调整。
仿真结果表明，本发明提出的八字微型磁线圈结构在电感L和磁感应性能的大小、均匀性和作用深度等方面均有显著改善，其中，Z＝600nm切向面产生的磁感应强度最大值达到12.50mT，而产生的磁感应强度的平均值为6.2mT。
(3)八字微型磁线圈光刻设计
八字微型磁线圈光刻过程如下：
首先，应用提升光刻抗蚀剂(LOR)层将平面线圈与硅片分离。
其次，选用SU-8作为一种高度生物相容性的光刻胶聚合物沉积，其具有足够的灵活性用作神经植入，具有高抗拉强度(70MPa)，在许多可植入设备中具有优势。
然后在第一层金属层将线圈中心连接到底部，第二金属层连接在顶部。这两层金属层用一层光刻胶SPR700绝缘。
为满足≤5Ω电阻要求，电镀采用gold bath工艺，并用硅片制备了100nm厚的镀层作为种子层，在种子层顶部制备了一定厚度的光刻抗蚀剂侧壁，作为抗蚀剂沟槽，从而可以避免绕组之间的短路。
最后，采用1mA的电流处理近30分钟，目标为所设计的痕量厚度。
(4)八字微型磁线圈生物应用验证
将所设计八字微型磁线圈植入到大鼠海马脑深部，研究其对海马CA1区神经系统电生理特性的影响，并及时记录影响过程。
结果显示，感应电流沿着两个线圈共享的一侧得到最大值(因为～E场在每个线圈的边缘周围是最大的)，且实验结果显示磁感应激发的方向取决于神经轴突的方向。
此外，该结构线圈可以避免其对平行于8线圈轴(中心到中心)的神经细胞的刺激作用。
最后，结果证明，线圈结构在其中心位置产生的超极化/去极化膜净效应最大，从而展示了良好的聚焦性。
附图说明
图1为本发明中八字微型磁线圈尺寸示意图；
图2为八字微型磁线圈在不同位置产生的磁场强度仿真示意图；
图3为显示了八字微型磁线圈两个平面螺旋线圈之间的最大E场矢量强度的示意图。
具体实施方式
本发明描述了一种用于海马脑深部磁刺激的亚毫米尺寸改进型八字线圈及其设计方法。其设计允许在海马脑深部实现亚毫米局部磁刺激，本发明详细计算了八字微型线圈的刺激参数影响，并说明了所设计的八字微型线圈的仿真过程，研究了图案、厚度、间距和宽度对微线圈电感L、磁强度B的分布和质量因子Q的影响，且详细介绍了八字微型磁线圈的光刻过程，开发了一种确定结构几何参数的方法，并研究了其植入到海马脑深部后对神经细胞去极化的影响。
Claims (5)
1.一种用于海马脑深部定向磁刺激的亚毫米尺寸平面方形双螺旋线圈的装置设计，其特征在于，
涉及一种可以植入在大鼠海马脑深部的微型八字方形线圈磁刺激装置，实现局部亚毫米尺寸磁刺激，详细理论计算了所设计的八字微型线圈的刺激参数影响，并通过仿真研究了不同参数的区别性影响，在得到最佳参数后根据需要实际制作了八字微型磁线圈，并说明了光刻过程，最后研究了其生物应用验证，将微型八字线圈植入到海马脑深部后对神经细胞去极化的影响从而证明其可行性。
2.根据权利要求1所述的八字微型磁线圈理论计算，其特征在于：计算了不同的线圈边缘长度(m)，横截面积(m2)的电感强度大小，使用改进的Wheeler公式计算线圈的自电感L的大小，通过对Wheeler公式进行修改，从而可以完成计算线圈的拓扑结构的跟踪厚度，而根据Onderdonk公式可以得到单个脉冲的融合电流，并计算得到其可以储存的最大能量W。
3.根据权利要求1所述的八字微型磁线圈仿真，其特征在于：仿真所设计的八字微型线圈的图案、厚度、间距和宽度对微线圈电感L、磁强度B的分布和质量因子Q的影响，利用COMSOL Multiphysics 5.2a有限元法(FEM)求解线圈产生的磁场强度，结果显示Z＝600nm切向面产生的磁感应强度最大值达到12.50mT，而产生的磁感应强度的平均值为6.2mT。
4.根据权利要求1所述的八字微型磁线圈光刻设计，其特征在于：平面八字微型螺旋线圈几何设计为2个100μm矩形螺旋线圈，轨迹宽度为1.60μm，两个螺旋线圈之间的距离为2μm，应用提升光刻抗蚀剂(LOR)层将平面线圈与硅片分离，选用SU-8作为一种高度生物相容性的光刻胶聚合物沉积，两层金属层用一层光刻胶SPR700绝缘，为满足≤5Ω电阻要求，电镀采用gold bath工艺，用硅片制备了100nm厚的镀层作为种子层，在种子层顶部制备了一定厚度的光刻抗蚀剂侧壁，作为抗蚀剂沟槽，从而可以避免绕组之间的短路，采用1mA的电流处理近30分钟得到八字微型磁线圈的实际结构。
5.根据权利要求1所述的八字微型磁线圈生物应用验证，其特征在于：将所设计八字微型磁线圈植入到大鼠海马脑深部，研究其对海马CA1区神经系统电生理特性的影响，八字微型线圈结构在其中心位置产生的超极化/去极化膜净效应最大，感应电流沿着两个线圈共享的一侧得到最大值，从而展示了良好的聚焦性。
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