用于深部位經(jīng)顱磁刺激的多層偏心8字形線圈的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于經(jīng)顱磁刺激領(lǐng)域，特別涉及一種用于深部位經(jīng)顱磁刺激的多層偏心8字形線圈。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)煩磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulat1n，TMS)是利用時變脈沖電磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電場作用于大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)，改變大腦皮質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞的膜電位，影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)電活動，從而引起一系列生理生化反應(yīng)的一種大腦神經(jīng)領(lǐng)域治療方法。TMS由英國的Barker等學(xué)者于1985年首先創(chuàng)立，具有無痛、無損傷、無X線福射等優(yōu)點(diǎn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，TMS以及重復(fù)經(jīng)顱磁刺激技術(shù)(Repeated TMS，rTMS)在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、臨床神經(jīng)精神疾病及康復(fù)領(lǐng)域獲得越來越多的認(rèn)可。2002年以色列批準(zhǔn)進(jìn)入臨床應(yīng)用，2008年美國食物與藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)使用于抗藥物難治性抑郁癥。中國國藥監(jiān)械
[2002]302號批準(zhǔn)經(jīng)顱磁刺激器為II類醫(yī)用電子儀器設(shè)備。
[0003]經(jīng)顱磁刺激設(shè)備主要由高壓脈沖電源發(fā)生器、刺激線圈和控制計算機(jī)組成。其工作原理為:控制計算機(jī)對高壓脈沖電源發(fā)生器發(fā)出充電/放電指令;充電時高壓脈沖電源發(fā)生器對內(nèi)部儲能電容充電；放電時儲能電容對刺激線圈放電，產(chǎn)生脈沖磁場，作用于腦部，產(chǎn)生感應(yīng)電場，作用于腦部神經(jīng)細(xì)胞，刺激神經(jīng)細(xì)胞電生理特性，達(dá)到治療目的。
[0004]刺激線圈決定了TMS設(shè)備的脈沖磁場特性，并進(jìn)一步?jīng)Q定了大腦神經(jīng)作用區(qū)域的感應(yīng)電場特性。目前的TMS設(shè)備以平面8字形和圓形線圈為主，刺激深度通常在線圈表面以下20?25_。由于目前臨床所用的刺激線圈較淺，通常在25mm以內(nèi)，無法刺激到大腦皮層的深溝槽部位，更無法刺激到大腦皮質(zhì)內(nèi)部諸如海馬體等組織，限制了經(jīng)顱磁刺激的臨床應(yīng)用適應(yīng)癥的范圍?？v觀目前的TMS技術(shù)狀況，深部位經(jīng)顱磁刺激的瓶頸不在于高壓脈沖電源部分，而是在于沒有實(shí)用化的深部位磁刺激線圈，因此TMS業(yè)界亟需深部位磁刺激線圈。
[0005]對于深部位磁刺激線圈而言，當(dāng)深部位產(chǎn)生的感應(yīng)電場達(dá)到膜內(nèi)閾電位(通常為20?60V/m，Y.Roth etc.J.Clinical Neurophys1l，vol.19，pp.361-370，2002)時，線圈的表面感應(yīng)電場會很高，例如，當(dāng)大于300V/m時，過高的感應(yīng)電場值造成的后果就是患者在頭皮部位產(chǎn)生刺痛感，使人無法承受，甚至?xí)韨?，因此深部位磁刺激線圈設(shè)計要解決的核心問題是線圈表面產(chǎn)生的感應(yīng)電場和深部位感應(yīng)電場的比值盡可能地小，衡量深部位磁刺激線圈的指標(biāo)用比值Ez(X)/Ez(zO)，比值Ez(x)/Ez(zO)越大，說明感應(yīng)電場隨深度衰減的越小。Ez (X)為線圈下深度為X毫米處的感應(yīng)電場，Ez (zO)為線圈下深度為zO毫米處的感應(yīng)電場，zO的取值為I Omm或5mm，作為深度方向的參考基準(zhǔn)。
[0006]目前臨床所用的平面8字形和圓形線圈線圈表面產(chǎn)生的感應(yīng)電場和深部位感應(yīng)電場的比值大于6.5倍(以50mm為例)，表面電場值遠(yuǎn)大于300V/m，因此不適合作為深部磁刺激線圈使用。一種雙錐形線圈(double-cone coil)作為對8字形線圈的改進(jìn)，用于30?40mm的深部位磁刺激。雙錐形線圈也存在隨深度衰減過快的問題，例如，要實(shí)現(xiàn)線圈下50mm處50V/m的感應(yīng)電場強(qiáng)度，在線圈下1mm處的感應(yīng)電場強(qiáng)度約為500V/m，這將是難以承受的。以色列的Yiftach Roth于2002年提出了H線圈(Hesed coil)結(jié)構(gòu)，在深度方向上感應(yīng)電場衰減明顯小于8字形線圈，是目前較為認(rèn)可的深部位磁刺激線圈結(jié)構(gòu)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提出一種用于深部位經(jīng)顱磁刺激的多層偏心8字形線圈，使線圈表面產(chǎn)生的感應(yīng)電場和深部位感應(yīng)電場的比值較小，深部位達(dá)到閾電位時，線圈表面感應(yīng)電場處于安全的范圍內(nèi)。
[0008]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]用于深部位經(jīng)顱磁刺激的多層偏心8字形線圈，由n(n2 2)層線圈組成，沿軸向疊加，最上層的一對線圈相切，組成基礎(chǔ)8字形線圈，產(chǎn)生基礎(chǔ)磁場和感應(yīng)電場；以基礎(chǔ)8字形線圈的切線為對稱軸，下層的線圈成對出現(xiàn);下面各層線圈中心軸與對稱軸的距離依據(jù)優(yōu)化方法確定，下面各層線圈的作用是調(diào)節(jié)磁場和感應(yīng)電場，滿足深部位磁刺激Ε(ζ0)/Ε(ζ)盡量小的要求。
[0010]確定下層線圈中心位置的優(yōu)化方法為:
[0011]目標(biāo)函數(shù):minΕ(ζ0)/Ε(ζ)
[0012]約束條件:lb(r2，n，...，rn) < (?，η，...，rn) < ub(r2，n，...，rn)
[0013]式中，E(zO)為距最下層線圈深度為zO處的8字形線圈中心線上的感應(yīng)電場，E(z)為距最下層線圈深度為z處的8字形線圈中心線上的感應(yīng)電場，Ε(ζ0)/Ε(ζ)為二者的比值，優(yōu)化的目標(biāo)是使Ε(ζ0)/Ε(ζ)最小;優(yōu)化變量為(Γ2，Γ3...,Γη)，Γ2，Γ3...，Γη為下層線圈2、線圈3，...，線圈η中心線到8字形中心線的距離，Ib(r2，r3...，rn)和ub(r2，r3...，rn)分別為下邊界條件和上邊界條件。
[0014]本發(fā)明用于深部位經(jīng)顱磁刺激的多層偏心8字形線圈，特征是:多層布置線圈；第一層構(gòu)成基礎(chǔ)8字形線圈；下面各層線圈沿8字形線圈中心線對稱分布，各層線圈中心線與對稱軸的距離通過優(yōu)化方法確定。各層線圈可以在同一平面上布置，也可以相交成一定角度。本發(fā)明提到的線圈布置結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方法不僅可以用于深部位顱磁刺激線圈，也可以用于其它特殊場形要求的線圈。
【附圖說明】
[0015]圖1為用于深部位經(jīng)顱磁刺激的多層偏心8字形線圈結(jié)構(gòu)圖。定義如圖中所示的xyz空間直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為線圈I和線圈I’的切點(diǎn)中心，xoy平面為線圈平面，Z軸垂直于線圈平面。圖中整個線圈組件由六個子線圈組成，分別為線圈1、線圈2和線圈3，線圈I’、線圈2’和線圈3’；線圈1、線圈2和線圈3為一組，沿z軸方向分為三層，線圈2在線圈I的下方，線圈3在線圈2的下方，線圈1、線圈2和線圈3的中心軸平行且y坐標(biāo)相同，X坐標(biāo)不同，三個線圈通同向電流;線圈I’、線圈2’和線圈3’為另一組，以z軸為中心線，線圈I ’、在X方向上對稱，通電電流方向與線圈1、線圈2和線圈3電流方向相反。
[0016]圖2根據(jù)圖1的線圈空間坐標(biāo)定義，標(biāo)示了所要優(yōu)化的線圈參數(shù)。R2、R3為線圈2、線圈3中心線到z軸距離，(R2、R3