CN118033248A - 一种经颅磁刺激感应电场测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种经颅磁刺激感应电场测量方法和装置。通过机械臂带动8字线圈移动，在设计的测试板上得到感应电动势，进一步计算得到8字线圈诱导产生的感应电场。本发明操作简单，便于实验，而且本发明提出的测量方法允许将测得的感应电场数据输入仿真软件，而不受di/dt值和线圈几何形状的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种经颅磁刺激领域，特别涉及一种经颅磁刺激感应电场测量方法及装置。
背景技术
经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)是一种非侵入性的神经调控技术。利用脉冲电流在刺激线圈中产生磁场，并通过颅骨进入大脑组织以诱发脑区神经元活动的非侵入性神经调控技术。刺激线圈的设计和脉冲电流的应用是TMS工作的核心。刺激参数的选择，如脉冲频率、强度和刺激持续时间，对TMS的效果产生显著影响，这使得精准的参数设置成为研究中的重要因素。
TMS的应用领域涵盖了广泛的研究范围，包括皮质连接性的深入研究、脑区定位和神经疾病的治疗。在神经研究中，TMS已经成为非常有价值的工具，通过在特定脑区引发神经元活动，研究者们能够深入探究神经回路和功能连接的机制。此外，TMS还在治疗多种神经和精神性疾病中展现出潜力，包括老年痴呆和抑郁症。尽管模拟方法如SimNIBS已经被广泛应用于分析颅内电场，但其与实际测量之间存在的差别仍然未知。模拟结果提供了指导刺激参数选择的重要信息，但直接测量颅内电场是更为准确地理解TMS效应的关键。目前的研究在直接测量上仍然受到限制，特别是在植入电极的癫痫患者中，仅使用最大刺激器输出的7％，而且考虑到刺激线圈与记录电极之间的安全距离，使得仅能采集颅内的部分感应电场信息。因此，为了获得更全面的颅内电场信息，有必要寻求更为精准的测量方法。在探讨感应电场测试方法的相关研究时，可以注意到一些使用仿体、动物模型和其他方法的尝试。这些方法为研究提供了一定程度的启示，但由于过于苛刻的实际测量要求，相关研究仅限于演示和验证实验设置和方法。此外，由于缺少测量方法，当前研究中对di/dt值的简化也影响准确模拟感应电场。因此，寻求一种更为可行、精确的测量方法成为当前研究亟需解决的问题。
发明内容
本发明提出了一种经颅磁刺激感应电场测量方法及装置。相较于以往的方法，这种方法具有独特性和优势。通过详细描述圆环阵列的设计和工作原理，能够克服之前方法的限制，提供更为全面和准确的颅内电场测量。
本发明的目的是提出经颅磁刺激感应电场测量方法及装置，并且在后续可以验证实测结果和仿真结果之间的一致性。
为实现本发明的目的，本发明的测量方法如下：
一种经颅磁刺激感应电场测量方法，所述方法包括以下步骤，
通过机械臂带动8字线圈在x方向和z方向移动，其中，8字线圈包括左侧和右侧两个相同的圆形线圈，每个线圈具有不同的电流方向，左右圆形线圈CL和CR具有相同的外径2R；
在每次精确移动8字线圈后，测量测试板上的感应电动势；测试板上具有一系列同心圆环，设置不同半径的圆环，目的是为了测量空间中各个点处的感应电场，即测量空间中每一处的感应电场，需要不同半径的圆环来组合测试；当8字线圈中CL的圆心和测试板同心圆环的圆心垂直方向重合时，定义此时的圆环为loop1，圆环的半径为r，并在这里测得的感应电动势为e1；当8字线圈沿x轴正方向移动固定距离后，测量同一个圆环的感应电动势，由于当前8字线圈和测试板在空间上已发生位置改变，此时该圆环定义为loop2，测得的感应电动势为e2；同理，8字线圈再次移动固定距离后，测量同一个的圆环的感应电动势，此时定义为loop3，测得的感应电动势为e3。，当8字线圈中CR的圆心和测试板同心圆环的圆心垂直方向重合时，定义此时的圆环为loop1'，圆环的半径为r'，并在这里测得的感应电动势为e1'；当8字线圈沿x轴负方向移动固定距离后，测量同一个的圆环的感应电动势，此时定义为loop2'，测得的感应电动势为e2'；同理，8字线圈再次移动固定距离后，测量同一个的圆环的感应电动势，此时定义为loop3'，测得的感应电动势为e3'；依次类推；按照下列公式计算e1R，e'1L，
e1R≈e1+e2+...+eN
e'1L≈e1'+e2'+...+eN'
其中，N＝3或者N＝4；e1R代表的是CR在loop1上产生的感应电动势；e'1L是CL在loop1'上产生的感应电动势；
根据感应电动势，计算得到8字线圈诱导产生的感应电场。
进一步，通过机械臂带动8字线圈精确移动方式为x方向等距移动，z方向等距移动。
进一步，在测试板上得到感应电动势的具体方法为，机械臂带动8字线圈移动，当8字线圈移动到不同位置处，示波器采集测试板上一系列同心圆环产生的感应电动势。8字线圈沿x轴正方向移动时，示波器采集到的不同位置处同一圆环产生的感应电动势记为e1、e2、e3、e4……eN；8字线圈沿x轴负方向移动时，示波器采集到的不同位置处同一圆环产生的感应电动势记为e1'、e2'、e3'、e4'……eN'。
进一步，计算得到8字线圈诱导产生的感应电场的方法为，根据测试板上测量得到的感应电动势，根据感应电动势公式推算出感应电场；
8字线圈在点P(xP,yP,zP)产生的感应电场的x和y分量分别是
其中，e1R代表的是CR在loop1上产生的感应电动势；e'1L是CL在loop1'上产生的感应电动势。
本发明还提供一种经颅磁刺激感应电场测量装置，所述装置包括测试板、示波器、8字线圈、机械臂、经颅磁刺激器；其中，
测试板，包括一系列同心圆环组成，这些圆环的半径不同，绘制在印刷电路板上，用于测试8字线圈产生的感应电动势；
示波器用于采集8字线圈在测试板上产生的感应电动势信号；
8字线圈用于在测试板上诱发感应电动势的产生，8字线圈包括左侧和右侧两个圆形线圈CL和CR；两个线圈形状相同，外径为2R，电流流向相反；
机械臂，用于实现8字线圈的精准移动；
经颅磁刺激器，用于通入8字线圈中的电流，产生变化的磁场。
本发明具有以下有益技术效果：
1、操作简单，便于实验。
2、提出的测量方法允许将测得的感应电场数据输入仿真软件，而不受di/dt值和线圈几何形状的影响。
附图说明
图1是本发明测量方法示意图；
图2是本发明的装置示意图；
图3是本发明的方法的测试空间范围图。
具体实施方式
图1是测量方法的示意图。8字线圈包括左侧和右侧两个相同的圆形线圈，每个线圈具有不同的电流方向。左右圆形线圈CL和CR具有相同的外径2R。感应电场测量装置包含两组圆环阵列，右侧圆环阵列组有N个测量圆环，从左到右依次记为loop1到loopN，半径为r。左侧圆环阵列组有N'个测量圆环，从右到左依次记为loop1'到loopN'，半径为r'。在左侧阵列和右侧阵列中，相邻环路之间的距离都为2R，所有圆环的中心位于同一条线上，且平行于8字线圈的表面。左侧阵列和右侧阵列中第一个圆环与CL，CR同轴。
8字线圈在测试板环路上产生的感应电动势等于CL和CR分别在该环路上产生的感应电动势之和。例如，loopm上的感应电动势，em等于CL和CR分别在loopm上产生的感应电动势，emL和emR之和，其中1≤m≤N。感应电动势在右侧阵列上的叠加如下：
e1+ e2 + ... + eN ＝ e1L + e1R + e2L + e2R + ... + eNL + eNR (1)
由于CL和CR中的电流流向不同，CL在loopm上产生的感应电动势emL和由CR在loopm+1上产生的感应电动势e(m+1)R具有相同的振幅，但方向相反，即emL+e(m+1)R＝0。当loopN距离8字线圈足够远时，即当N足够大时，方程(1)中的感应电动势eNR可以忽略不计。那么CR在loop1上产生的感应电动势近似为
e1R≈e1+e2+...+eN(2)
由CR产生的感应电场仅具有与线圈平面平行的周向分量，在与CR具有相同旋转轴的环形路径上，loop1上感应电场的大小保持恒定。因此，由CR在loop1上的任意点产生的感应电场为e1R/2πr，而由CL在loop1'上产生的感应电场是e'1L/2πr'，在点P(xP,yP,zP)处，由8字线圈产生的感应电场可以视为在点P处由CL和CR产生的感应电场的叠加，如图1所示。在P点处，由8字线圈产生的感应电场的x和y分量分别是
由于8字线圈的对称结构，在实际测试过程中，只需将8字线圈向一侧移动，这里，本发明令其向右移动，采集右侧阵列的感应电动势即可。
由此，本发明提出一种经颅磁刺激感应电场测量方法，所述方法包括以下步骤，
通过机械臂带动8字线圈在x方向和z方向移动；
在每次精确移动8字线圈后，测量测试板上的感应电动势；测试板上具有一系列同心圆环，设置不同半径的圆环，目的是为了测量空间中各个点处的感应电场，即测量空间中每一处的感应电场，需要不同半径的圆环来组合测试。当8字线圈中CL的圆心和测试板同心圆环的圆心垂直方向重合时，定义此时的圆环为loop1，圆环的半径为r，并在这里测得的感应电动势为e1；当8字线圈沿x轴正方向移动固定距离后，测量同一个圆环的感应电动势，由于当前8字线圈和测试板在空间上已发生位置改变，此时该圆环定义为loop2，测得的感应电动势为e2；同理，8字线圈再次移动固定距离后，测量同一个圆环的感应电动势，此时该圆环定义为loop3，测得的感应电动势为e3。当8字线圈中CR的圆心和测试板同心圆环的圆心垂直方向重合时，定义此时的圆环为loop1'，圆环的半径为r'，并在这里测得的感应电动势为e1'；当8字线圈沿x轴负方向移动固定距离后，测量同一个圆环的感应电动势，此时定义为loop2'，测得的感应电动势为e2'；同理，8字线圈再次移动固定距离后，测量同一个圆环的感应电动势，此时定义为loop3'，测得的感应电动势为e3'；
e1R≈e1+e2+...+eN；
e'1L≈e1'+e2'+...+eN'
其中，N＝3或者N＝4；e1R代表的是CR在loop1上产生的感应电动势；e'1L是CL在loop1'上产生的感应电动势；；
根据感应电动势，计算得到8字线圈诱导产生的感应电场；
其中，8字线圈包括左侧和右侧两个相同的圆形线圈，每个线圈具有不同的电流方向。左右圆形线圈CL和CR具有相同的外径2R。
进一步，通过机械臂带动8字线圈精确移动方式为x方向等距移动，z方向等距移动。
进一步，在测试板上得到感应电动势的具体方法为，机械臂带动8字线圈移动，当8字线圈移动到不同位置处，示波器采集测试板上一系列同心圆环产生的感应电动势。8字线圈沿x轴正方向移动时，示波器采集到的不同位置处同一圆环产生的感应电动势记为e1、e2、e3、e4……eN；8字线圈沿x轴负方向移动时，示波器采集到的不同位置处同一圆环产生的感应电动势记为e1'、e2'、e3'、e4'……eN'。
进一步，计算得到8字线圈诱导产生的感应电场的方法为，根据测试板上测量得到的感应电动势，根据感应电动势公式推算出感应电场；
由8字线圈在点P(xP,yP,zP)产生的感应电场的x和y分量分别是：
其中，e1R代表的是CR在loop1上产生的感应电动势；e'1L是CL在loop1'上产生的感应电动势。
本发明还提出一种经颅磁刺激感应电场测量装置，其特征在于，所述装置包括测试板、示波器、8字线圈、机械臂、经颅磁刺激器；其中，
测试板，包括一系列同心圆环组成，这些圆环的半径不同，绘制在印刷电路板上，用于测试8字线圈产生的感应电动势；
示波器用于采集8字线圈在测试板上产生的感应电动势信号；
8字线圈用于在测试板上诱发感应电动势的产生，8字线圈包括左侧和右侧两个圆形线圈CL和CR；两个线圈形状相同，外径为2R，但电流流向相反。
机械臂，用于实现8字线圈的精准移动；
经颅磁刺激器，用于通入8字线圈中的电流，产生变化的磁场。
本发明的具体实施例中，测试板由一系列同心圆环组成，这些圆环的半径不同，绘制在印刷电路板上，如图2所示。每个测量圆环的线宽为0.2mm，每个圆环端子之间的间隙为0.25mm。这些圆环的半径选择，根据实际需求自行定义。左右圆形线圈CL和CR的外径为92mm。
使用示波器测量8字线圈的电容电压和8字线圈两端的电压，分别是VC和VL。使用数字电桥测量8字线圈的电感L。通过方程di/dt＝VL/L计算di/dt的值，其中L是8字线圈的电感。根据公式E＝-A*(di/dt)即可计算出仿真感应电场值。这样，就可以比对实测值和仿真值之间的差异。
测量感应电场的装置如图2所示。将8字线圈连接到机械臂上，以实现线圈的精准移动。测量前，将8字线圈右侧部分的中心与印刷电路板上的圆环对齐。示波器连接到位于印刷电路板边缘的接线端子。
在整个测量过程中，精确调整8字线圈和测试板之间的相对位置，以建立图1所示的圆环阵列。测试板保持不动，8字线圈的移动范围如图3所示。在x轴方向上，机械臂带动刺激线圈从左到右移动，每次移动92mm，从而实现了对圆环阵列的数据收集。在z轴方向上，机械臂带动线圈，从贴近测试板表面移动到测试板上方100mm处，每次向上移动5mm。测试板中的每个环路记录三次感应电动势。在记录的波形中，最大值的平均值被视为测得的感应电动势，而后根据测试方法计算出感应电场数值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种经颅磁刺激感应电场测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，
通过机械臂带动8字线圈在x方向和z方向移动，其中，8字线圈包括左侧和右侧两个相同的圆形线圈，每个线圈具有不同的电流方向，左右圆形线圈CL和CR具有相同的外径2R；
在每次精确移动8字线圈后，测量测试板上的感应电动势；测试板上具有一系列同心圆环，设置不同半径的圆环，目的是为了测量空间中各个点处的感应电场，即测量空间中每一处的感应电场，需要不同半径的圆环来组合测试；当8字线圈中CL的圆心和测试板同心圆环的圆心垂直方向重合时，定义此时的圆环为loop1，圆环的半径为r，并在这里测得的感应电动势为e1；当8字线圈沿x轴正方向移动固定距离后，测量同一个圆环的感应电动势，由于当前8字线圈和测试板在空间上已发生位置改变，此时该圆环定义为loop2，测得的感应电动势为e2；同理，8字线圈再次移动固定距离后，测量同一个圆环的感应电动势，此时该圆环定义为loop3，测得的感应电动势为e3；当8字线圈中CR的圆心和测试板同心圆环的圆心垂直方向重合时，定义此时的圆环为loop1'，圆环的半径为r'，并在这里测得的感应电动势e1'；当8字线圈沿x轴负方向移动固定距离后，测量同一个的圆环的感应电动势，此时定义为loop2'，测得的感应电动势为e2'；同理，8字线圈再次移动固定距离后，测量同一个的圆环的感应电动势，此时定义为loop3'，测得的感应电动势为e3'；依次类推；按照下列公式计算e1R，e'1L，
e1R≈e1+e2+...+eN
e'1L≈e1'+e2'+...+eN'其中，N＝3或者N＝4；e1R代表的是CR在loop1上产生的感应电动势；e'1L是CL在loop1'上产生的感应电动势；
根据感应电动势，计算得到8字线圈诱导产生的感应电场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过机械臂带动8字线圈精确移动方式为x方向等距移动，z方向等距移动。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在测试板上得到感应电动势的具体方法为，机械臂带动8字线圈移动，当8字线圈移动到不同位置处，示波器采集测试板上一系列同心圆环产生的感应电动势；8字线圈沿x轴正方向移动时，示波器采集到的不同位置处同一圆环产生的感应电动势记为e1、e2、e3、e4……eN；8字线圈沿x轴负方向移动时，示波器采集到的不同位置处同一圆环产生的感应电动势记为e1'、e2'、e3'、e4'……eN'。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，计算得到8字线圈诱导产生的感应电场的方法为，根据测试板上测量得到的感应电动势，根据感应电动势公式推算出感应电场；
8字线圈在点P(xP,yP,zP)产生的感应电场的x和y分量分别是：
其中，e1R代表的是CR在loop1上产生的感应电动势；e'1L是CL在loop1'上产生的感应电动势。
5.一种经颅磁刺激感应电场测量装置，其特征在于，所述装置包括测试板、示波器、8字线圈、机械臂、经颅磁刺激器；其中，
测试板，包括一系列同心圆环组成，这些圆环的半径不同，绘制在印刷电路板上，用于测试8字线圈产生的感应电动势；
示波器用于采集8字线圈在测试板上产生的感应电动势信号；
8字线圈用于在测试板上诱发感应电动势的产生，8字线圈包括左侧和右侧两个圆形线圈CL和CR；两个线圈形状相同，外径为2R，电流流向相反；
机械臂，用于实现8字线圈的精准移动；
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