CN202637725U - 一种动态可变多通道经颅磁刺激线圈阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动态可变多通道经颅磁刺激线圈阵列及其控制方法，该线圈阵列包括一组S方向等间距的直线导线、一组C方向等间距的直线导线和控制单元；S方向和C方向分别对应于大脑的矢状轴和冠状轴，S方向和C方向的两组导线相互垂直交叉且彼此绝缘构成网状线圈阵列，每根直线导线的输入端或输出端均连接一个独立的控制单元；该线圈阵列在空间上弯曲成球面，球面弧度符合人体头颅曲面形状，整个线圈阵列呈头盔形状并覆盖全头范围。利用本实用新型的TMS线圈阵列，可以在全头范围内同时产生多个TMS线圈，还可改变刺激面积大小、强度和刺激方式；该线圈阵列可以实现多通道高空间分辨率的TMS刺激，并且可以实现刺激位置和方式的动态可变。

Description

一种动态可变多通道经颅磁刺激线圈阵列

技术领域

本实用新型涉及生物电磁学技术领域，特别是一种动态可变多通道经颅磁刺激线圈阵列及其控制方法。

背景技术

磁场可以几乎无损耗地穿透头颅。经颅磁刺激（TMS）通过在TMS线圈内导入脉冲电流产生交变磁场，磁场穿透头颅（图1.a），在被刺激部位下方的大脑皮层诱导出微弱的感应电流（图1.b, 图1.c）。如果诱导电流与神经纤维相平行，可以诱导较强的膜电位从而引起神经元细胞活动。目前TMS被广泛应用于脑科学、认知科学以及临床医疗领域。

    现有的TMS大都采用单通道o形线圈（如图1.b所示）或8字形线圈（如图1.c所示）施加TMS刺激。 o形线圈可以在脑内产生较大范围的环形磁场；8字形线圈的本质是两个电流方向相反的o形线圈紧密相连，其产生的电场强度虽然不如o形线圈，但在两个o形线圈的连接处可以产生较为集中的电流分布。从而可以产生较为集中的刺激。现有的TMS装置均是采用单通道TMS线圈放置于固定的头皮位置进行刺激。基于脑科学、认知科学以及临床医疗领域的研究需求，在全头范围内实施多通道TMS刺激已成为发展趋势。

    一些研究曾尝试开发多通道TMS线圈，但是这些研究只是将多个单通道TMS线圈简单地配置在头颅表面来实现所谓的多通道TMS刺激（图2）。如J. Ruohonen (Multichannel magnetic stimulation: improved stimulus targeting，1996；Focusing and targeting of magneric brain stimulation using multiple coils，1998；Theory of multichannel magnetic stimulation: toward functional neuromuscular rehabilitation，1999），SL. Ho（Optimization of array magnetic coil design for functional magnetic stimulation based on improved genetic algorithm，2009），BY. Han（Multichannel magnetic stimulation system design considering mutual couplings among the stimulation coils，2004）等人的研究小组提出了将多个单通道o形线圈紧密排列组成线圈阵列的概念（图2.(a)-(c)）。 而XM. Wang（Design of multi-channel brain magnetic stimulator and ANSYS simulation，2005）和CH. Im （Computer-aided performance evaluation of a multichannel transcranial magnetic stimulation system，2006）等人的研究小组则提出了分散排列多个单通道o形线圈构成多通道TMS线圈阵列的概念（图2.(d)(e)）。 GZ. Xu（The optimal design of magnetic coil in transcranial magnetic stimulation，2005）等人的研究则设想将多个单通道o形线圈在空间加以叠加以形成多通道TMS线圈阵列（图2.(f)）。

    以上所列举的方案都没有摆脱在头颅表面配置多个单通道o形线圈来实现多通道TMS刺激的思路。由于线圈本身的形状和尺寸的限制，以及线圈与线圈之间的间隔等制约要素，使得上述方案中线圈阵列中的TMS线圈无法紧密分布，即无法实现高分辨率的线圈配置。

    另一方面，将TMS应用于脑科学研究中，常常需要对同一实验条件进行多次实验，而每一次实验中都需对每个单通道线圈逐个进行精确定位以确保线圈与头颅，及线圈与线圈的相对位置符合预先设定的要求。上述方案中存在众多的单通道线圈，对这些TMS线圈逐一加以定位必将导致实际操作的复杂化。这种操作的复杂化也必将极易诱发定位误差的发生，而这都将大大降低实验的可重复性。

    此外，上述方案中每个单通道TMS线圈都需要专门的控制单元，多通道必然导致控制单元的复杂化，并将加大成本。

    最后，也是最重要的一点，即上述TMS线圈设计方案均无法实现刺激类型的动态可变。上述设计方案都是采用了o形线圈的排列从而形成多通道线圈阵列。在实际TMS使用过程中，常常希望根据实际需要选择不同的刺激面积和刺激种类（o形或8字形）。而上述TMS线圈设计方案中线圈的尺寸规格均为固定不变，线圈类型固定为o形线圈，这使得刺激面积和种类都无法根据需求实现动态改变。    

    综上所述，图2中所示的现有的多通道TMS线圈设计方案均存在着分辨率低、线圈定位难、控制单元多以及***的不易变通性等问题。这成为导致近年来多通道TMS研究停滞的直接原因。而在实施TMS刺激中，根据需要任意地改变刺激部位、刺激方式和刺激强度等动态的研究更是传统方法所无法实现的。本方案针对这一现状，将提出一种新型动态可变多通道TMS线圈阵列设计方案。

实用新型内容

   本实用新型的目的在于提供一种全新的全头型动态可变多通道TMS线圈阵列设计方法和控制技术，利用本方案设计的新型TMS线圈阵列，可以在全头范围内同时产生多个TMS线圈，还可改变刺激面积大小、强度和刺激方式（选择o形或8字形）。该线圈阵列可以实现多通道高空间分辨率的TMS刺激，并且可以实现刺激位置和方式的动态可变。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种动态可变多通道经颅磁刺激线圈阵列，该线圈阵列包括一组S方向等间距的直线绝缘铜导线、一组C方向等间距的直线绝缘铜导线和控制单元；S方向和C方向分别对应于大脑的矢状轴和冠状轴，S方向和C方向的两组导线相互垂直交叉且彼此绝缘构成网状线圈阵列，每根直线导线的输入端或输出端均连接一个独立的控制单元；该线圈阵列在空间上弯曲成球面，球面弧度符合人体头颅曲面形状，整个线圈阵列呈头盔形状并覆盖全头范围。所述的控制单元用于控制导线的闭合状态、电流的流入或流出方向以及电流强度。TMS线圈之间没有间隔且呈阵列状紧密排列。

    本实用新型与现有技术相比，其显著优点：本实用新型提出了全新的高分辨率动态可变多通道TMS线圈阵列设计方法。相比较传统的TMS线圈，基于该理论设计出的TMS线圈阵列具有以下特点和优点：

   （1）可以实现TMS线圈的种类、规格和尺寸、位置、数量和刺激强度的实时可变性：

    通过对导线开关的控制，可以通过将TMS线圈变化成o形或8字形以改变刺激方式；通过对接入电流导线间隔的控制，可以产生不同规格和大小的TMS线圈；通过对接入电流导线位置的控制，可以在指定的位置产生TMS线圈；通过对接入电流导线数量的控制，可以产生不同数量的TMS线圈；通过对导线内电流强度的控制，可以改变TMS刺激大小；上述刺激参数的变化均可实现实时控制，可以确保刺激参数的实时可变性。

    （2）可以提供高空间分辨率刺激

    相对于在头颅表面布置多个单通道传统线圈构成多通道TMS线圈的传统设计方案，本方案可以实现无间距的紧密阵列式分布，可以最大程度地减少TMS线圈之间的距离，这为提供高空间分辨率TMS刺激提供了可能。

    （3）可以保证多通道线圈位置的精确定位

    由于整个线圈阵列相对于头部的位置可以精确定位，而各个TMS线圈之间的相对位置又是固定不变的，所以可以简单并且准确地控制各个TMS线圈与头颅，以及各个TMS线圈之间的相对位置。这为准确定位各个TMS线圈位置提供了保障。

    （4）可以更加有效地刺激脑神经

    有别于传统设计中o形线圈和8字形线圈产生的是圆形的诱导电流分布，本方案中TMS线圈为方形，可以在颅内产生方形的诱导电流分布。如前所述，如果诱导电流与神经纤维相平行，可以诱导较强的膜电位从而引起神经元细胞活动。由于大脑神经纤维多呈同向平行分布，因此相比较传统的圆形诱导电流分布，方形的诱导电流分布显然可以激发更多数量神经纤维活动，从而更加有效地刺激脑神经。

    （5）可以产生复杂类型的刺激

    有别于传统TMS线圈设计方案中只能产生o形或8字形线圈。在本方案中，除了可以生成o形和8字形线圈，还可以生成诸如品字形、88形和十字形等复杂类型的TMS线圈。  

    （6）可以极大地减少控制单元

    对于如图4所示的NxN的线圈阵列，如果采用单通道TMS线圈的简单排列这种传统设计思路，需要NxN个控制单元；而采用本方案的设计思路，则只需2(N+1) 个控制单元。这极大地简化了控制单元的复杂性，节约控制成本。

附图说明

附图1为TMS原理图及传统o形或8字形TMS线圈，(a) TMS刺激原理图  (b) o形线圈和8字形线圈原理图。

附图2为现有的多通道TMS线圈设计方案。(a) J. Ruohonen研究小组设计方案 (b) SL. Ho研究小组设计方案 (c) BY. Han研究小组设计方案 (d) XM. Wang研究小组设计方案 (e) CH. Im研究小组设计方案 (f) GZ. Xu研究小组设计方案。

附图3为本方案提出的TMS线圈阵列设计示意图。

附图4为本方案提出的TMS线圈阵列原理图。

附图5为本方案实现不同尺寸o形线圈示意图； (a) 小尺寸o形线圈 (b) 大尺寸o形线圈。

附图6为本方案实现不同尺寸8字形线圈示意图；(a) 小尺寸8字形线圈 (b) 大尺寸8字形线圈。

附图7为本方案实现多尺寸多通道TMS线圈示意图；(a) 多尺寸多通道o形线圈 (b) 多尺寸多通道8字形线圈。

附图8 为本方案实现品字形、88形和十字形TMS线圈示意图。

附图9为本方案实现多尺寸多通道多类型TMS线圈示意图。

附图10为本方案设计的模拟计算结果；(a) 本方案o形线圈产生的电流分布模拟结果 (b) 本方案8字形线圈产生的电流分布模拟结果。

具体实施方式

 本实用新型提出了一种覆盖全头的多通道TMS线圈阵列设计方案。该线圈阵列由一组S方向和一组C方向等间距的直线绝缘铜导线垂直交叉构成。S方向和C方向分别对应于大脑的矢状轴和冠状轴。纵横两组导线相互交叉但彼此绝缘构成网状线圈阵列。该线圈阵列在空间上弯曲成球面，其弧度设计为与人体头颅曲面接近，整个线圈阵列呈头盔形状并覆盖全头范围。

    线圈阵列中每根导线由独立的控制单元控制，控制单元则由计算机加以控制。每个控制单元可以控制导线的闭合状态、电流的流入或流出、以及电流强度。

     通电的导线在其周围会产生磁场，传统的TMS线圈在闭合线圈内导入电流从而在导线周围产生垂直于线圈平面的磁场，该磁场贯穿头颅产生诱导电流并最终刺激脑神经。在本方案中，通过对每根导线的电流导入或导出以及导线的闭合状态的控制，使S方向2根导线和C方向2根导线构成的环状区域中的电流方向相同，即同为顺时针或同为逆时针方向，则由该4根彼此绝缘的导线所生成的环状区域中产生的诱导电场分布等同于方形闭环回路所产生的诱导电场分布。o形诱导电场分布与方形诱导电场分布虽然在形状上有所不同，但对于环状诱导电流这一本质没有差异，因此，本方案所采用的方形线圈可以实现传统o形线圈功能。

     由于8字形线圈是由相邻的2个电流方向相反的o形线圈形成，通过对各个导线的电流方向的控制，本方案在线圈阵列内可以生成2个彼此相邻且电流方向相反的闭环。因此，本方案同样可以实现传统8字形线圈的功能。

     通过对各个导线的电流方向的控制，可以控制在线圈阵列中构成TMS线圈的种类、规格和尺寸、位置、数量。通过对各个导线的电流强度的控制，可以控制产生的TMS刺激的强度。由于控制单元的参数可以实时改变，线圈阵列中产生的TMS线圈的种类、规格和尺寸、位置、数量以及刺激强度均可实时改变。因此，本方案可以产生多通道动态可变TMS刺激。

     此外，由于整个线圈阵列呈网状分布，相邻线圈之间没有距离且不存在空隙，这使得本方案可以产生空间分辨率较高的TMS线圈阵列。此外，由于导线的间距、导线的根数等参数是固定值，在线圈阵列内部产生的各个TMS线圈相对于整个线圈阵列的位置也是明确可知的，这使得对多通道TMS线圈的定位方便可行。在实际使用中，无需对多通道TMS线圈逐个定位，只需将整个线圈阵列在头颅上定位，即可一次性完成多通道TMS线圈的定位工作。因此，本方案可以实现高分辨率的多通道TMS线圈，同时可以确保TMS线圈定位的准确性和便捷性。

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

本实用新型提出了如图3所示的头盔式多通道TMS线圈阵列设计方案。该线圈阵列由一组S方向等间距的直线绝缘铜导线，一组C方向等间距的直线绝缘铜导线和控制单元构成。S方向和C方向分别对应于大脑的矢状轴和冠状轴，S方向和C方向的两组导线相互垂直交叉且彼此绝缘构成网状线圈阵列，每根直线导线的输入端或输出端均连接一个独立的控制单元。该线圈阵列在空间上弯曲成球面，球面弧度符合人体头颅曲面形状，整个线圈阵列呈头盔形状并覆盖全头范围。

        如图4所示，该线圈阵列由一组S方向和一组C方向等间距的直线导线垂直交叉构成。S方向和C方向分别对应于大脑的矢状轴和冠状轴。S方向和C方向的导线相互交叉但绝缘。每根导线都分别由独立的控制单元控制该导线的导入、导出、或是关闭状态，控制单元同时可以控制电流强度从而控制产生的TMS刺激强度。各个控制单元则由计算机分别控制。

    如图5所示，通过改变各个导线的电流的方向，可以在线圈阵列内产生o形线圈。如图5.(a)中所示，当电流分别从导线S3、C5流入，而从S4、C6流出的情况下，便可以在线圈阵列中形成闭环从而产生小尺寸的o形线圈。而如图5.(b)中所示，当控制电流分别从导线S3、C3流入，而从S7、C7流出的情况下，便可以在线圈阵列中形成闭环从而产生大尺寸的o形线圈。

    如图6所示，通过改变各个导线的电流的方向，可以在线圈阵列内产生8字形线圈。如图6.(a)中所示，当电流分别从导线S3、S5、C4、C6流入，而从S4、C5流出的情况下，便在可以形成两个流向相反的闭环，从而产生小尺寸的8字形线圈。而如图6.(b)中所示，当电流分别从导线S2、S8、C2、C8流入，而从S5、C5流出的情况下，便在可以形成两个流向相反的闭环，从而产生大尺寸的8字形线圈。

    如图7所示，通过改变各个导线的电流的方向，可以在线圈阵列内产生多尺寸多通道o形线圈。如图7.(a)中所示，当电流分别从导线S2、C7流入，而从S3、C8流出的情况下，便可以在线圈阵列左上角产生小尺寸的o形线圈。而当控制电流分别从导线S4、C2流入，而从S8、C6流出的情况下，便可以在线圈阵列右下角产生大尺寸的o形线圈。如图7.(b)中所示，当电流分别从导线S1、S3、C7、C9流入，而从S2、C8流出的情况下，便可以在线圈阵列左上角产生小尺寸的8字形线圈。而当控制电流分别从导线S3、S9、C1、C7流入，而从S6、C4流出的情况下，便可以在线圈阵列右下角产生大尺寸的8字形线圈。

如图8所示，除了传统o形和8字形TMS线圈，通过改变各个导线的电流的方向，可以在线圈阵列内产生其它类型的TMS线圈：当电流分别从导线S2、S4、C5、C7流入，而从S3、C6、C8流出的情况下，在线圈阵列的左上角可以实现品字形TMS线圈；当电流分别从导线S6、S8、C7、C9流入，而从S7、S9、C6、C8流出的情况下，在线圈阵列的右上角可以实现88形TMS线圈；当电流分别从导线S4、S6、C2、C4流入，而从S3、S5、C1、C3流出的情况下，在线圈阵列中下方可以实现十字形TMS线圈。

    如图9所示，通过改变各个导线的电流的方向，可以在线圈阵列内产生多尺寸多通道多类型TMS线圈。如图9中所示，当电流分别从导线S2、S4、C7流入，而从S3、C6、C8流出的情况下，便可以在线圈阵列中左上角产生小尺寸的8字形线圈。当电流分别从导线S9、C7流入，而从S6、C6流出的情况下，便可以在线圈阵列中右上角产生扁长o形线圈。当电流分别从导线S4、S9、C1、C5流入，而从S3、S6、C3流出的情况下，便可以在线圈阵列中下方产生不等边长的品字形线圈。因此，通过改变电流方向，可以在线圈阵列中同时产生不同尺寸，不同类型的多个TMS线圈。

        如图10所示，图10.(a)中是显示的对本方案产生的o形线圈进行电磁场模拟计算得到的TMS诱导电流分布图。如图10.(a)所示，电流分布在o形线圈中呈环状分布并在中央达到最大值，符合传统o形线圈所对应的诱导电流分布；图10.(b)中是显示的是对本方案产生的8字形线圈进行电磁场模拟计算得到的TMS诱导电流分布图。如图10.(b)所示，电流分布在8字形线圈中相邻的2个o形线圈中呈环状分布并在交接处达到最大值，符合传统8字形线圈所对应的诱导电流分布。基于模拟结果可以发现本方案提出的设计方案满足线圈的设计指标，因此本方案具有很好的可行性。 

Claims (4)

1.一种动态可变多通道经颅磁刺激线圈阵列，其特征在于：该线圈阵列包括一组S方向等间距的直线导线、一组C方向等间距的直线导线和控制单元；S方向和C方向分别对应于大脑的矢状轴和冠状轴，S方向和C方向的两组导线相互垂直交叉且彼此绝缘构成网状线圈阵列，每根直线导线的输入端或输出端均连接一个独立的控制单元；该线圈阵列在空间上弯曲成球面，球面弧度符合人体头颅曲面形状，整个线圈阵列呈头盔形状并覆盖全头范围。

2.根据权利要求1所述的动态可变多通道经颅磁刺激线圈阵列，其特征在于：所述的控制单元用于控制导线的闭合状态、电流的流入或流出方向以及电流强度。

3.根据权利要求1所述的动态可变多通道经颅磁刺激线圈阵列，其特征在于：所述S方向和C方向的两组导线为直线绝缘铜导线。

4.根据权利要求1所述的动态可变多通道经颅磁刺激线圈阵列，其特征在于：TMS线圈之间没有间隔且呈阵列状紧密排列。

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