CN114191720A

CN114191720A - 一种用于深度经颅磁刺激的交叉型线圈

Info

Publication number: CN114191720A
Application number: CN202111559815.XA
Authority: CN
Inventors: 熊慧; 李青宇; 刘近贞
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-03-18

Abstract

本发明提出一种用于提高刺激深度的交叉型经颅磁刺激线圈，该线圈由8字形线圈和Halo线圈共同组成，Halo线圈环绕8字形线圈的短轴，其上边界始终在8字形线圈中心的上方。8字形线圈的两部分分别通入相反方向的电流，用于产生聚焦磁场，Halo线圈上边界的电流方向与8字形线圈相切处电流方向一致，提供刺激深度优势。本发明通过改变Halo线圈与8字形线圈之间的夹角和距离，来改变Halo线圈对8字形线圈的作用影响，从而权衡交叉型线圈的聚焦性与刺激深度之间的变化关系。基于评估标准，本发明与现有的深度HFA刺激线圈相比，具有更大的刺激强度、更小的聚焦面积和更好的刺激深度，这为经颅磁刺激研究和治疗脑深部功能障碍性疾病提供颇具潜力的新工具。

Description

一种用于深度经颅磁刺激的交叉型线圈

技术领域

本发明属于经颅磁刺激技术领域，特别涉及一种显著提高刺激深度的交叉型经颅磁刺激线圈设计。

背景技术

作为一种非侵入性的大脑刺激方法，经颅磁刺激(Transcranial MagneticStimulation，TMS)是研究人类大脑功能组织的重要工具，也是治疗精神疾病的有力工具。放置在患者头部表面的TMS线圈通入交变电流，会产生能穿过头皮、颅骨的脉冲磁场，在脑内组织中诱发感应电场，进而改变大脑皮质神经细胞膜电位，并可能通过尚未完全理解的方式来影响皮层兴奋性，引发一系列脑神经元功能活动，从而达到探测与构建功能脑图，或者诊断和治疗疾病的目的。

磁刺激线圈是时变磁场诱发感应电场的重要载体。当线圈通入脉冲电流时产生瞬变磁场，其空间形态主要与线圈电流元的分布有关。而电流元的分布主要由线圈的结构和位置决定。因此，刺激线圈的特性会直接影响瞬变感应磁场的形态分布。已有研究表明，刺激线圈作用时所产生的刺激深度和聚焦性之间存在着非线性的折衷关系，即刺激深度的增加往往伴随着聚焦面积的增大，而聚焦性的改善则以牺牲刺激深度为代价。其中，刺激深度反映了刺激线圈在磁刺激期间的穿透能力。一般地，用皮质层处电场衰减到其最大值的一半所经过的最大距离来表示刺激深度。聚焦性则被定义为电场强度在给定深度(如皮层表面)超过相对于最大值的一半的区域，反映了刺激线圈的聚磁性能。

研究人员基于不同的目的，如改善聚焦性或丰富刺激的多样性等，设计了多种形式的线圈和线圈阵列。目前，刺激面积较大的圆形线圈现多用于外周神经刺激和检测神经通路的完整性，用于疾病治疗的线圈形式有8字形线圈，H形线圈，双锥形线圈等。为了增大线圈的刺激深度，科研人员尝试将8字形线圈与Halo线圈平行放置构成HFA线圈，其中Halo线圈的作用会对人体前额、耳朵和后脑等区域产生刺激效果，容易引起医学治疗中的副作用。另外，该技术目前还存在一些问题，其中最突出的是靶点针对性差，难以实现精准磁聚焦。因此，在提高线圈刺激深度的同时，也需要考虑线圈作用的聚焦性。

发明内容

针对现有TMS技术存在的不足，本发明提出一种用于深度经颅磁刺激的交叉型线圈，利用8字形线圈和Halo线圈组合，解决刺激深度较低的难题，增强大脑皮层处等组织的刺激强度，同时不严重损失聚焦性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

交叉型线圈由8字形线圈与Halo线圈组成。8字形线圈位于球头模型顶点上方5mm平面上，Halo线圈所在平面过8字形线圈的切线，Halo线圈的上边界电流方向与8字形线圈相切处的电流方向一致。为保证Halo线圈与8字形线圈不相互接触，在未进行移动时，Halo线圈上边界的中心与8字形线圈的中心距离14mm。

本发明的进一步改进为：Halo线圈与8字形线圈之间的夹角可变，Halo线圈高度可变。在旋转和移动过程中，Halo线圈上边界的几何中心、8字形线圈几何中心和球模型球心始终在同一条直线上。

本发明的进一步改进为：Halo线圈与8字形线圈的夹角范围为30°-75°，间隔15°，Halo线圈向上移动的范围为0-90mm，间隔10mm，线圈夹角的改变不会导致线圈两中心之间距离的变化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供一种显著提高刺激深度的交叉型线圈结构，结构简单，易于构造。交叉型线圈中的Halo线圈的上边界电流方向与8字形线圈相切处的电流方向一致，可以增强8字形线圈中心下方的刺激强度，显著提高经颅磁刺激的刺激深度。通过改变Halo线圈所在高度和其与8字形线圈之间的夹角，可以不同程度地调整聚焦性与刺激深度之间的权衡关系。因此，本发明提出的交叉型线圈可以在不损失聚焦性的同时达到增大刺激强度和提高刺激深度的效果，这为深脑部疾病的治疗提供新的参考。

附图说明

图1显示了基于双层球头模型，交叉型线圈的夹角角度、电流方向和Halo线圈未向上移动时的结构示意图。

图2为基于双层球头模型，8字形线圈与Halo线圈夹角角度不同情况下，电场强度随Halo线圈向上移动不同距离的变化折线图。

图3为基于双层球头模型，8字形线圈与Halo线圈夹角角度不同情况下，聚焦面积随Halo线圈向上移动不同距离的变化折线图。

图4为基于双层球头模型，8字形线圈与Halo线圈夹角角度不同情况下，刺激深度随Halo线圈向上移动不同距离的变化折线图。

图5为HFA线圈与人头模型的组合示意图。

图6为HFA线圈作用于人头模型时的电场分布图。

图7为8字形线圈与Halo线圈夹角为45°，Halo线圈未向上移动时的交叉型线圈与人头模型的组合示意图。

图8为8字形线圈与Halo线圈夹角为45°，Halo线圈未向上移动时的交叉型线圈作用于人头模型时的电场分布图。

具体实施方式

结合附图对本发明的经颅磁刺激交叉型线圈做进一步详细描述。

本发明中采用的8字形线圈为Magstim公司Type9925，线圈内直径56mm，外直径87mm，水平放置于大脑头皮上方5mm，线圈匝数为9匝。Halo线圈的内半径为138mm，外半径为150mm，线圈匝数为6匝。其中，8字形线圈和Halo线圈采用相同尺寸的铜线绕制而成，其横截面积为6mm*1.75mm。

图1显示了基于双层球模型，Halo线圈未向上移动时的交叉型线圈的具体结构及电流方向示意图，Halo线圈以图1所示结构为初始结构，始终沿着图一中的箭头方向移动，移动距离用D(mm)表示。三个线圈单元在球顶点处的电流方向一致，根据麦克斯韦方程组，线圈中心下方的电场具备叠加效益，这有利于刺激强度和刺激深度的增强。球模型的外部球体半径为85mm，发明中使用其代表生物学中的人头结构；内部球体半径为70mm，发明中使用其表示生物学中人脑的皮质层。

为了分析交叉型线圈中不同参数变化对皮质层处的刺激强度、聚焦性和刺激深度的影响，需制定合理评价指标以得到最佳线圈夹角和Halo最佳上移距离。其中刺激强度的性能指标为皮质层的最大感应电场强度E_max，刺激强度应满足最低刺激阈值E_th(100V/m)。刺激深度定义为皮质层表面电场最大值E_max到1/2 E_max处的最大距离，刺激深度d_1/2越大，刺激性能越好。聚焦性的好坏则是比较聚焦面积的大小，聚焦面积S_1/2为大于1/2 E_max的面积，由下列公式计算得到：

其中V_1/2为大脑皮质层以内大于1/2 E_max的体积，d_1/2为刺激深度。交叉型线圈的刺激深度d_1/2越大，说明线圈在刺激深度方面的效果越好，能够刺激到深部脑组织，对深部疾病靶区的治疗具有有力影响。

图2反映了不同夹角的交叉型线圈中，Halo线圈向上移动距离的大小对刺激强度的影响。可以看出，相同线圈夹角角度的条件下，Halo线圈的上移会降低Halo线圈上边界对8字形线圈中心处的有利影响，从而对刺激强度产生抑制作用。当交叉型线圈夹角角度不同，Halo线圈向上移动距离相同时，始终有线圈夹角越大，刺激强度越大的规律存在。这是由于交叉型线圈夹角越大，Halo线圈的上边界提供的有利影响越大，从而增大刺激强度。值得一提的是，所列出的角度和移动距离的变化中，电场强度的大小始终超过100V/m，这满足皮质层的最低刺激阈值条件。

图3、4所示分别为交叉型线圈中不同夹角角度和距离对聚焦面积和刺激深度的影响。在交叉型线圈的夹角角度分别为30°、45°和60°时，线圈的聚焦面积和刺激深度均会随着Halo线圈的上移而减小，即线圈的聚焦性得到改善，而在刺激深度方面的优势有所衰弱。这也说明了经颅磁刺激中的聚焦性和刺激深度方面存在折衷关系。

特别的，当交叉型线圈的夹角角度为75°时，Halo线圈的上移距离对刺激深度的影响甚微，但对聚焦面积有着显著影响。当Halo线圈的上移距离超过70mm时，交叉型线圈的聚焦面积出现指数增加。这是由于当halo线圈上移超过70mm时，Halo线圈的下方边界会逐渐靠近球模型右下侧，形成第二个局部聚焦，从而增加了刺激的聚集面积，严重损失聚焦性。

为确定交叉型线圈的最优参数，使其能够同时具有较小的聚焦面积、较大的刺激强度和刺激深度，特建立如下标准：(1)交叉型线圈的刺激强度在150V/m以上；(2)交叉型线圈的聚焦面积小于30cm²；(3)交叉型线圈的刺激深度大于17mm。同时满足上述三个条件的的交叉型线圈有两种，分别为夹角为45°，Halo线圈为向上移动时的交叉型线圈和夹角为45°，Halo线圈向上移动10mm时的交叉型线圈。

图5为HFA线圈放置于真实人头模型的组合示意图。其中8字形线圈与Halo线圈平行，两平面之间的距离为100mm。图6给出了HFA线圈作用于真实人头模型的电场分布图。三维电场分布图和电场分布矢状图同时显示出，由于Halo线圈的作用，HFA线圈会在人头前额处产生较宽泛的电场分布，相应地会对耳朵部位和后脑部位产生刺激作用。

图7给出了夹角为45°，Halo线圈未向上移动时的交叉型线圈放置于真实人头模型的组合示意图，其中Halo线圈上边界中心与8字形线圈的几何中心距离为14mm。图8给出了交叉型线圈作用于真实人头模型的电场分布图。由三维电场分布图可见，交叉型线圈在人头顶点处产生聚焦电场，且对人头其他组织不产生影响。

从电场分布矢状图来看，相较于HFA线圈，即使交叉型线圈在头顶产生的刺激区域要比HFA产生的刺激区域稍显宽泛，但交叉型线圈不会在人头前额和后脑等部位产生刺激作用，且交叉型线圈的刺激深度明显优于HFA线圈的刺激深度。另，在同等刺激条件下，HFA线圈和交叉型线圈在头模型表层的最大感应电场强度分别为329V/m和552V/m，相较于HFA线圈，交叉型线圈的刺激强度增强了67.78％。

综合上述分析，满足(1)交叉型线圈的刺激强度在150V/m以上；(2)交叉型线圈的聚焦面积小于30cm²；(3)交叉型线圈的刺激深度大于17mm三条标准的夹角为45°，Halo线圈未上移的交叉型线圈具有显著的刺激强度、良好的聚焦性和较深的刺激深度综合优势，这为经颅磁刺激用于深脑结构的刺激提供了新的选择。以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于提高经颅磁刺激刺激深度的交叉型线圈，其特征在于，所述交叉型线圈由聚焦性优良的8字形线圈和用于深度刺激的Halo线圈共同组成。Halo线圈上边界的几何中心与8字形线圈的几何中心始终在同一直线上。

2.根据权利要求1所述的交叉型线圈，其特征在于，所述8字形线圈的左侧圆形线圈电流方向为顺时针，右侧圆形线圈电流方向为逆时针。Halo线圈上边界的电流方向与8字形线圈两线圈相切处的电流方向一致。

3.根据权利要求1所述的交叉型线圈，其特征在于，所述8字形线圈和Halo线圈的几何尺寸固定，根据线圈绕组匝数尺寸限制，Halo线圈的上边界始终在8字形线圈的上方，且不与8字形的上表面接触。

4.根据权利要求1所述的交叉型线圈，其特征在于，所述交叉型线圈中的8字形线圈与Halo线圈之间的夹角可变。

5.根据权利要求1所述的交叉型线圈，其特征在于，所述交叉型线圈中的Halo线圈高度可变，以调整Halo线圈与8字形线圈的距离，达到改变刺激深度和聚焦面积的目的。