CN116328193A - 一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁刺激技术领域，提供一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法及系统，包括在所需磁刺激部位构建线圈阵列，线圈阵列包括布设于线圈阵列中心的第一线圈和多个第二线圈，多个第二线圈布设在第一线圈的周侧；导通第一线圈和所需导通的第二线圈；控制第一线圈与导通的第二线圈通入的高频交流电频率，以在所述第一线圈和所述第二线圈之间产生低频包络感应电场；调整第一线圈与其中一个导通的第二线圈组成的线圈对的电流幅值比，以调整低频包络感应电场的聚焦区域对所需刺激的靶点进行精准定位并进行刺激，本发明提高刺激深度和聚焦性，同时可以实现多靶点的同时刺激，在不移动线圈位置的基础上，实现刺激的可调可控和精准定位。
Description
技术领域
本发明涉及磁刺激技术领域，尤其涉及一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法及系统。
背景技术
当前，神经系统导致的缺血性脑部疾病和儿童的生长发育问题越来越多出现在社会之中，对于此类疾病一般采取神经调控方式进行治疗。
经颅磁刺激(TranscranialMagnetic Stimulation,TMS)利用电磁感应原理，在外加交变磁场的作用下，于脑内产生交变感应电场，引起生物电流在组织中传导，使得神经纤维、神经元和肌肉去极化，进而影响脑内代谢和神经电活动。TMS由于其无创、安全、副作用少的优点受到了研究者们与临床应用的青睐，并在神经功能的诊断和一些神经系统疾病的治疗上取得了初步的成果。而时间相干磁刺激是一种新的非侵入性脑深部神经调控技术，其通过向多个线圈通入频差较小的高频交变电流，在颅内刺激靶点叠加出低频包络感应电场，由于神经元膜的低通特性，没有产生包络的区域只存在高频分量，神经元不会响应，进而起到在不激活浅层区域神经元的前提下，实现对刺激脑深部局部区域神经元的作用。
然而，TMS的刺激效果会受到靶点聚焦性与感应电场深度权衡的限制，例如较大尺寸线圈能够达到更深的颅内穿透距离、提供较强的感应电场，但刺激区域较大，而较小尺寸线圈可提供更狭窄的刺激区域但刺激深度不够；时间相干的刺激靶点又较为单一，难以实现多脑区协同刺激，限制了其在脑网络多个节点的调制中的应用；另外，改变刺激区域需要手动移动线圈，费时费力。
发明内容
为此，本发明提供一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法及系统，用以解决现有磁刺激技术中存在的刺激强度与聚焦性不能平衡导致的刺激效果差，还难以实现多靶点同时刺激，并且在改变刺激靶点时需要手动移动线圈，操作繁琐的问题。
本发明提供一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法，包括如下步骤：
S101：在所需磁刺激部位构建线圈阵列，所述线圈阵列包括布设于所述线圈阵列中心的第一线圈和多个第二线圈，多个所述第二线圈布设在所述第一线圈的周侧；
S102：导通所述第一线圈和所需导通的所述第二线圈；
S103：控制所述第一线圈与导通的所述第二线圈通入的高频交流电频率，以在所述第一线圈和所述第二线圈之间产生低频包络感应电场；
S104：调整所述第一线圈与其中一个导通的所述第二线圈组成的线圈对的电流幅值比，以调整所述低频包络感应电场的聚焦区域对所需刺激的靶点进行精准定位并进行刺激。
根据本发明提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法，步骤S102中所述第一线圈与任一导通的所述第二线圈通入电流的传输方向相反，以在所述第一线圈与任一导通的所述第二线圈间产生感应电场聚焦区域。
根据本发明提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法，步骤S104中所述电流幅值比调整所述低频包络感应电场的聚焦区域包括：
所述第一线圈通入的电流幅值大于任一所述第二线圈的电流幅值时，所述低频包络感应电场的聚焦区域向任一所述第二线圈偏移；
所述第一线圈通入的电流幅值小于任一所述第二线圈的电流幅值时，所述低频包络感应电场的聚焦区域向所述第一线圈偏移；
所述第一线圈通入的电流幅值等于任一所述第二线圈的电流幅值时，所述低频包络感应电场的聚焦区域不偏移。
根据本发明提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法，步骤S101中多个所述第二线圈均匀布设在所述第一线圈的周侧。
本发明还提供一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激系统，包括：
线圈阵列，用于对所需刺激的靶点进行磁刺激；
控制模组，用于控制所述线圈阵列是否导通，并控制所述线圈阵列中各线圈的交流电频率和电流幅值比；
电源模组，用于为所述线圈阵列和所述控制模组供能。
根据本发明提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激系统，所述控制模组包括：
上位机，用于接收控制指令，并发送至数字信号处理器；
数字信号处理器，用于处理接收到的所述控制指令并驱动所述电源模组中的IGBT模块，以为所述线圈阵列提供不同的交流电频率和电流幅值比。
本发明提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法及系统，通过在需要磁刺激的靶点上方排列第一线圈和多个第二线圈，之后导通高频交流电，使得第一线圈和任一第二线圈之间产生频率差值，产生低频包络感应电场，可以利用神经元膜的低通特性，实现刺激一个深而小的区域，提高刺激深度和聚焦性，同时基于线圈阵列，可以实现多靶点的同时刺激，另外通过控制第一线圈和任一第二线圈组成的线圈组中的电流幅值比，产生电场强度差，可以使得线圈相对位置发生移动，可在不手动移动线圈位置的基础上，实现刺激靶点的可调可控和精准定位。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激系统结构示意图。
附图标记：
1、第一线圈；2、第二线圈；11、上位机；12、数字信号处理器；100、线圈阵列；200、控制模组；300、电源模组。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1至图2描述本发明提供的实施例。
本发明提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法，包括如下步骤：
S101：在所需磁刺激部位构建线圈阵列；
进一步的，所述线圈阵列包括布设于所述线圈阵列中心的第一线圈和多个第二线圈，多个所述第二线圈布设在所述第一线圈的周侧；
进一步的，第一线圈和第二线圈均为圆形排列，第一线圈的圆心与阵列的圆心重合，并且第一线圈和多个第二线圈的材质均为导电性良好的金属铜。
在一些实施例中，采用7个圆形线圈构成线圈阵列，分别编号，其中第一线圈1为中心线圈，其余为第二线圈，其中有位于第一线圈1正上的正上第二线圈，位于第一线圈1右上的右上第二线圈，位于第一线圈1右下的右下第二线圈和位于第一线圈1正下的正下第二线圈
在一些实施例中，所有线圈都是尺寸相同的圆形线圈，线圈布线直径为2mm，匝数为6，如图2所示的排列方式为第一线圈1的圆心与线圈阵列圆心重合，其余第二线圈按照顺时针顺序排列在第一线圈以半径为25mm的圆形周侧。
S102：导通所述第一线圈和所需导通的所述第二线圈；
S103：控制所述第一线圈与导通的所述第二线圈通入的高频交流电频率，以在所述第一线圈和所述第二线圈之间产生低频包络感应电场；
在一些实施例中，参考如上所述的线圈阵列，仅当第一线圈1和正上第二线圈通入反向电流时，会在其相交处产生感应电场聚焦区域，同理在第一线圈1和正上第二线圈、右下第二线圈和第二线圈6导通时，第一线圈1周围能够产生3个感应电场聚焦区域，分别处于第一线圈1和正上第二线圈相交处，第一线圈1和右下第二线圈相交处，第一线圈1和第二线圈6相交处。
在一些实施例中，第一线圈1通入1.05KHz交流电，正上第二线圈通入1.00KHz交流电时，会在第一线圈1和正上第二线圈的相交处产生调制为50Hz的低频包络感应电场。
S104：调整所述第一线圈与其中一个导通的所述第二线圈组成的线圈对的电流幅值比，以调整所述低频包络感应电场的聚焦区域对所需刺激的靶点进行精准定位并进行刺激。
进一步的，步骤S104中出现的电流幅值比为线圈对中第一线圈和第二线圈的电流比例，当电流出现比例差值时，两线圈会因为其中产生的感应电场强度差值出现相对位移。
其中，步骤S102中所述第一线圈与任一导通的所述第二线圈通入电流的传输方向相反，以在所述第一线圈与任一导通的所述第二线圈间产生感应电场聚焦区域。
其中，步骤S104中电流幅值比调整所述低频包络感应电场的聚焦区域包括：
所述第一线圈通入的电流幅值大于任一所述第二线圈的电流幅值时，所述低频包络感应电场的聚焦区域向任一所述第二线圈偏移；
所述第一线圈通入的电流幅值小于任一所述第二线圈的电流幅值时，所述低频包络感应电场的聚焦区域向所述第一线圈偏移；
所述第一线圈通入的电流幅值等于任一所述第二线圈的电流幅值时，所述低频包络感应电场的聚焦区域不偏移。
其中，步骤S101中多个所述第二线圈均匀布设在所述第一线圈的周侧。
进一步的，在线圈均匀布设时，所产生的低频包络感应电场的聚焦区域更加趋近于规律，也就是说可以更容易的被系统性控制，相对的，相较于传统磁刺激，聚焦性也有所提升。
下面结合图2描述本发明提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激系统，包括：
线圈阵列100，用于对所需刺激的靶点进行磁刺激；
控制模组200，用于控制所述线圈阵列100是否导通，并控制所述线圈阵列100中各线圈的交流电频率和电流幅值比；
电源模组300，用于为所述线圈阵列100和所述控制模组200供能。
其中，所述控制模组200包括：
上位机11，用于接收控制指令，并发送至数字信号处理器12；
数字信号处理器12，用于处理接收到的所述控制指令并驱动所述电源模组300中的IGBT模块，以为所述线圈阵列100提供不同的交流电频率和电流幅值比。
进一步的，所述电源模组包括IGBT模块和电源，还包括变压器、整流模块和储能电容。
在一些实施例中，工作人员通过上位机发送控制指令，上位机作为人机交互的中继站将所述控制指令发送至数字信号处理器，数字信号处理器将接收到的所述控制指令进行处理并换转为电信号驱动电源模块中的IGBT模块，当IGBT接收到所述电信号后，将所述电信号转换为控制电平以导通线圈阵列，从而对所需磁刺激的靶点进行磁刺激。
在一些实施例中，参考如上所述的线圈阵列，选取第一线圈1，正上第二线圈和正下第二线圈通入差频交变电流，在人体组织液中模拟实验，用以仿真本发明提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法的多靶点作用。
在一些实施例中，模拟使用仿真平台COMSOL进行，该软件是一款多物理场耦合有限元仿真软件，其中包括力学、电磁学、声学和传热等多个模块。针对经颅磁刺激的模拟，选取COMSOL的电磁场模块进行有限元分析，具体步骤为首先搭建多靶点磁刺激生理盐水模型，用来模拟人体组织液感应电场分布，选取使用尺寸为300×300×40mm的长方形生理盐水模型，还包括参考如上所述的线圈阵列，线圈阵列位于生理盐水模型上表面5mm处；赋值材料属性，将生理盐水模型电导率设置为0.333S/m，相对介电常数为100，线圈阵列电导率设置为5.998×107S/m，相对介电常数为1；使用瞬态研究器求解感应电场强度
的时域分布，计算第一线圈1和正上第二线圈之间，或者第一线圈1和正下第二线圈之间任意位置n的低频包络感应电场强度/>
和调制强度/>
等。
在一些实施例中，第一线圈1，正上第二线圈和正下第二线圈通入幅值为2000A的交流电，设置第一线圈1的电流频率为1.05KHz，正上第二线圈和正下第二线圈的电流频率为1.00KHz，通入的差频目的在于能够在第一线圈和任一第二线圈之间的聚焦区域调制出低频包络感应电场，频率为50Hz。
在一些实施例中，选取线圈阵列的下表面为平行于线圈阵列的平面，绘制感应电场分量平面图，规定第一线圈1的圆心为坐标原点，第一线圈1和正上第二线圈的圆心连线为Y轴，正方向指向正上第二线圈，X轴为垂直于Y轴的直线，正方向指向右上第二线圈和右下第二线圈，感应电场分量平面图中，出现两个聚焦区域，分别位于第一线圈1和正上第二线圈之间、第一线圈1和正下第二线圈之间，满足同时对多靶点进行刺激的需求。
在一些实施例中，被量化的任一点的低频包络感应电场调制强度为
这里，
表示空间内任意位置n处的低频包络感应电场的调制强度，/>
表示任意位置n处的感应电场模值，/>
表示位置n处的感应电场模值；这里，当/>
趋近于相等，且/>
的总和更大时，调制效果更好。
在一些实施例中，参考如上所述的仿真平台、长方形生理盐水模型和线圈阵列，选取第一线圈1和正上第二线圈通入差频交变电流，在人体组织液中模拟实验，用以仿真本发明提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法的刺激位置微调。
在一些实施例中，具体步骤为固定第一线圈1和正上第二线圈的电流总和为4000A，通过调节两线圈的电流比例，观察
的峰值位置变化，分析聚焦区域的移动与第一线圈1和正上第二线圈电流比例之间关系。
在一些实施例中，分别设置对照组和实验组进行实验，具体为保持第一线圈1电流频率1.05KHz和正上第二线圈电流频率1.00KHz不变，固定两个线圈电流总和为4000A，设置对照组电流比例为1：1，即两个线圈皆通入幅值2000A交流电；设置实验组电流比例为1：3，即第一线圈1通入1000A，正上第二线圈通入3000A，进行仿真分析。
在一些实施例中，选取线圈下表面为平行于线圈的平面，绘制感应电场分量平面图。首先规定第一线圈1和其它2圆心连线为Y轴，正方向指向正上第二线圈，其次选取两个线圈圆心连线中点为坐标原点，然后规定X轴为经过原点且垂直Y轴的直线，正方向指向右上第二线圈和右下第二线圈方向。在Y轴（x=0）上以原点为中心左右各选取10个点，步长为2mm，称为数组1；同理，将数组1沿X轴正向移动5mm，即为数组2。每个数组拥有两组数据，分别成为数据1和数据2，其中数据1代表实验组（1：3），数据2代表对照组（1：3），将数组1和数组2的两组数据分别绘制在两张图表里进行分析。
在一些实施例中，实验结果显示，数据1与数据2的点线图皆呈现出对称状，且感应电场
峰值位于各自对称中心处，且沿左右逐渐衰减；然而，两数据的/>
峰值没有重合，间距为8mm（1：1情况下峰值位于坐标原点，而1：3情况下峰值位于坐标（-8））。结果表明改变电流比例大小，会影响/>
的峰值位置，即聚焦区域会随线圈对中的电流幅值比大小改变而改变，并且峰值位置朝向电流小的一侧偏移。
本发明提供的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法及系统，通过控制不同线圈对的导通，同时驱动多组线圈，实现多靶点的同时刺激，并且基于时间相干以及神经元膜的低通特性，可以使得刺激强度和聚焦强度均得到提升，形成对靶点深而小的刺激，在不激活到头皮或肌肉等表层组织神经元的情况下，刺激脑深部区域；另外通过控制导通线圈对的电流幅值比可以进行刺激位置的微调，无需手动移动线圈即可实现刺激靶点的位移和精准定位。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101：在所需磁刺激部位构建线圈阵列，所述线圈阵列包括布设于所述线圈阵列中心的第一线圈和多个第二线圈，多个所述第二线圈布设在所述第一线圈的周侧；
S102：导通所述第一线圈和所需导通的所述第二线圈；
S103：控制所述第一线圈与导通的所述第二线圈通入的高频交流电频率，以在所述第一线圈和所述第二线圈之间产生低频包络感应电场；
S104：调整所述第一线圈与其中一个导通的所述第二线圈组成的线圈对的电流幅值比，以调整所述低频包络感应电场的聚焦区域对所需刺激的靶点进行精准定位并进行刺激。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法，其特征在于，步骤S102中所述第一线圈与任一导通的所述第二线圈通入电流的传输方向相反，以在所述第一线圈与任一导通的所述第二线圈间产生感应电场聚焦区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法，其特征在于，步骤S104中所述电流幅值比调整所述低频包络感应电场的聚焦区域包括：
所述第一线圈通入的电流幅值大于任一所述第二线圈的电流幅值时，所述低频包络感应电场的聚焦区域向任一所述第二线圈偏移；
所述第一线圈通入的电流幅值小于任一所述第二线圈的电流幅值时，所述低频包络感应电场的聚焦区域向所述第一线圈偏移；
所述第一线圈通入的电流幅值等于任一所述第二线圈的电流幅值时，所述低频包络感应电场的聚焦区域不偏移。
4.根据权利要求1所述的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法，其特征在于，步骤S101中多个所述第二线圈均匀布设在所述第一线圈的周侧。
5.一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激系统，其特征在于，包括：
线圈阵列，用于对所需刺激的靶点进行磁刺激；
控制模组，用于控制所述线圈阵列是否导通，并控制所述线圈阵列中各线圈的交流电频率和电流幅值比；
电源模组，用于为所述线圈阵列和所述控制模组供能。
6.根据权利要求5所述的一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激系统，其特征在于，所述控制模组包括：
上位机，用于接收控制指令，并发送至数字信号处理器；
数字信号处理器，用于处理接收到的所述控制指令并驱动所述电源模组中的IGBT模块，以为所述线圈阵列提供不同的交流电频率和电流幅值比。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310283552.7A CN116328193A (zh) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法及系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310283552.7A CN116328193A (zh) | 2023-03-22 | 2023-03-22 | 一种基于时间相干的多靶点精准可调磁刺激方法及系统 |
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| CN116328193A true CN116328193A (zh) | 2023-06-27 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117482400A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-02-02 | 成都理工大学 | 用于颅脑深度聚焦刺激的时域干涉特征刺激阵列及系统 |
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2023
- 2023-03-22 CN CN202310283552.7A patent/CN116328193A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117482400A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-02-02 | 成都理工大学 | 用于颅脑深度聚焦刺激的时域干涉特征刺激阵列及系统 |
| CN117482400B (zh) * | 2023-12-27 | 2024-03-12 | 成都理工大学 | 用于颅脑深度聚焦刺激的时域干涉特征刺激阵列及系统 |
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