多平面線圈陣列中樞神經(jīng)弱磁刺激系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，特別是一種多平面線圈陣列中樞神經(jīng)弱磁刺激系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)顱磁刺激(TMS)技術(shù)是一種新興的無(wú)創(chuàng)式刺激技術(shù)，它可以用于檢測(cè)和治療神經(jīng)精神疾病。其工作原理是在一組高壓大容量的電容上充電，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)向磁刺激線圈充電，充電電流不到I毫秒的時(shí)間可達(dá)到數(shù)千安培，瞬時(shí)功率能達(dá)到幾十兆瓦，刺激線圈表面產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)峰值可達(dá)到l-4T(tesla，T，特斯拉)。頭顱組織的相對(duì)磁導(dǎo)率接近1，所以磁場(chǎng)可以穿過(guò)頭皮顱骨等外層組織達(dá)到腦實(shí)質(zhì)。依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，腦實(shí)質(zhì)處變化的磁場(chǎng)會(huì)感生出電場(chǎng)，進(jìn)而在腦組織中感生出電流，感應(yīng)電流會(huì)對(duì)神經(jīng)組織產(chǎn)生刺激作用。
[0003]依照目前神經(jīng)科學(xué)的研究，TMS的作用機(jī)制是利用感應(yīng)電流改變神經(jīng)細(xì)胞的膜電位使其超過(guò)其興奮閾值，使得局部大腦神經(jīng)細(xì)胞去極化引起興奮性動(dòng)作電位從而產(chǎn)生一系列生理生化反應(yīng)。
[0004]重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(rTMS)是在某一特定皮質(zhì)部位給予重復(fù)刺激的過(guò)程。臨床研究表明重復(fù)連續(xù)有規(guī)律的刺激能夠產(chǎn)生積累效應(yīng)，可以興奮更多水平的神經(jīng)元，不僅影響刺激局部和功能相關(guān)的遠(yuǎn)隔區(qū)域的大腦功能，實(shí)現(xiàn)皮質(zhì)功能區(qū)域性重建，而且產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)可持續(xù)到刺激停止后一段時(shí)間，產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)程效應(yīng)，因此rTMS成為研究神經(jīng)功能重建的良好工具。
[0005]雖然經(jīng)顱磁刺激技術(shù)發(fā)展迅速，但是其未解決兩個(gè)矛盾性問(wèn)題。
[0006]其一:將經(jīng)顱磁刺激技術(shù)應(yīng)用于精神疾病的診斷和治療需要考慮刺激目標(biāo)的選擇，某些精神疾病的病灶位于下丘腦等深層腦組織，由于電磁場(chǎng)的空間分布的衰減特性，當(dāng)實(shí)現(xiàn)對(duì)深層腦組織的興奮刺激時(shí)，淺層腦組織的刺激強(qiáng)度大大超過(guò)安全閾值。因此經(jīng)顱磁刺激技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)深度刺激與保證安全閾值問(wèn)題上存在激烈的矛盾。
[0007]其二:應(yīng)用經(jīng)顱磁刺激技術(shù)刺激深度中樞神經(jīng)組織時(shí)需要考慮刺激的聚焦效果，也即刺激定位的準(zhǔn)確程度。我們仿真研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)刺激深度增加時(shí)，刺激能量需相應(yīng)增加這樣會(huì)導(dǎo)致刺激的聚焦效果變差，也即刺激的聚焦效果與刺激的深度是相互制約的。
[0008]弱磁刺激可以在中樞神經(jīng)系統(tǒng)感生出弱電場(chǎng)，已有研究表明弱電場(chǎng)可以通過(guò)閾下刺激實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)節(jié)，這種作用機(jī)制是通過(guò)改變膜電位對(duì)自發(fā)極化和誘發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生持續(xù)影響，這樣會(huì)對(duì)單神經(jīng)元的放電時(shí)刻產(chǎn)生小的擾動(dòng)，這樣的擾動(dòng)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中會(huì)通過(guò)共振抑或累積效應(yīng)等被放大，從而對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼機(jī)制產(chǎn)生影響，進(jìn)一步調(diào)控神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能。
[0009]目前市場(chǎng)上的大多數(shù)經(jīng)顱磁刺激裝置的刺激源都是單線圈或8字線圈，單一形狀的刺激源不能實(shí)現(xiàn)刺激分布的調(diào)節(jié)，因此不可能解決前文所述的其二矛盾。許多研究均試圖利用多通道線圈實(shí)現(xiàn)刺激的優(yōu)化，往往局限于單一平面陣列或者帽式陣列，單一平面陣列對(duì)于實(shí)現(xiàn)刺激分布全方位立體式的優(yōu)化存在局限性，帽式陣列對(duì)于適應(yīng)被測(cè)者外觀的差異性，缺少必要空間調(diào)節(jié)自由度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)上述技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種多平面線圈陣列中樞神經(jīng)弱磁刺激系統(tǒng)，其目的之一:在實(shí)現(xiàn)對(duì)深層中樞神經(jīng)刺激的同時(shí)保證淺層腦組織的刺激強(qiáng)度滿足安全閾值；其目的之二是實(shí)現(xiàn)多樣的刺激形式、實(shí)現(xiàn)對(duì)刺激分布的優(yōu)化；其目的之三是能實(shí)現(xiàn)刺激源對(duì)被試者外觀差異性的適應(yīng)性調(diào)整。
[0011]本發(fā)明所提出的一種多平面線圈陣列中樞神經(jīng)弱磁刺激系統(tǒng)，其中:該系統(tǒng)包括有PC監(jiān)控平臺(tái)、單線圈電流控制系統(tǒng)、多線圈組合控制系統(tǒng)以及多平面線圈陣列刺激源，PC監(jiān)控平臺(tái)與單線圈電流控制系統(tǒng)以及多線圈組合控制系統(tǒng)相互連接，單線圈電流控制系統(tǒng)和多線圈組合控制系統(tǒng)分別與多平面線圈陣列刺激源相互連接。所述PC監(jiān)控平臺(tái)接收單線圈電流控制系統(tǒng)的電流信息，接受多線圈組合控制系統(tǒng)的磁場(chǎng)信息，通過(guò)PC監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行顯示；所述多平面線圈陣列刺激源接收多線圈組合控制系統(tǒng)以及單線圈電流控制系統(tǒng)輸入的激勵(lì)電流按照電磁感應(yīng)原理對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生刺激。
[0012]本發(fā)明的效果是解決了傳統(tǒng)經(jīng)顱磁刺激以及重復(fù)經(jīng)顱磁刺激所表現(xiàn)的矛盾性問(wèn)題。本發(fā)明提供的多平面線圈陣列中樞神經(jīng)弱磁刺激系統(tǒng)可以消除刺激過(guò)程中被試者和受試者對(duì)刺激安全性的擔(dān)憂，同時(shí)本系統(tǒng)能夠針對(duì)不同被試者以及不同刺激目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的刺激分布。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的多平面線圈陣列中樞神經(jīng)弱磁刺激系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的單線圈電流控制部分的系統(tǒng)框圖；
[0015]圖3為本發(fā)明的多線圈組合控制部分的系統(tǒng)框圖；
[0016]圖4為本發(fā)明的多平面線圈陣列刺激源外觀示意圖；
[0017]圖5為本發(fā)明的可調(diào)節(jié)線圈平面的外觀示意圖；
[0018]圖6為本發(fā)明PC監(jiān)控平臺(tái)功能示意圖；
[0019]圖7-1、圖7-2、圖7-3、圖7-4為四種多線圈陣列刺激源形式舉例；
[0020]圖8為本發(fā)明的線圈組合刺激的示意圖。
[0021]圖中:
[0022]1、全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、單線圈電流控制系統(tǒng)3、多線圈組合控制系統(tǒng)4、多平面線圈陣列刺激源5、PC監(jiān)控平臺(tái)6、微控制器7、線圈供電主電路8、半導(dǎo)體電力開關(guān)9、單線圈 10、電流傳感器 11、現(xiàn)場(chǎng)總線12、磁場(chǎng)探測(cè)器 13、多個(gè)獨(dú)立的單線圈電流控制單元14、PC協(xié)調(diào)控制部分15、萬(wàn)向結(jié)構(gòu)16、線圈平面17、線圈陣列18、監(jiān)視界面19、操作界面20、文件存儲(chǔ)21、在線仿真22、四個(gè)圓形線圈23、近似方形線圈24、三個(gè)近似方形線圈25、異形線圈
【具體實(shí)施方式】
[0023]結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的多平面線圈陣列中樞神經(jīng)弱磁刺激系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以說(shuō)明。
[0024]本發(fā)明的多平面線圈陣列中樞神經(jīng)弱磁刺激系統(tǒng)主要由單線圈電流控制系統(tǒng)2、多線圈組合控制系統(tǒng)3、多平面線圈陣列刺激源4以及PC監(jiān)控平臺(tái)5五部分組成。本發(fā)明所提出的多平面陣列中樞神經(jīng)弱磁刺激系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是:其一本發(fā)明利用弱磁刺激代替強(qiáng)磁刺激，對(duì)目標(biāo)的刺激強(qiáng)度沒(méi)有極化閾值的要求，從而可以保證對(duì)深層組織刺激時(shí)淺層組織的刺激強(qiáng)度能滿足安全閾值。依據(jù)【背景技術(shù)】所述弱磁刺激的刺激原理，可知刺激頻率是弱磁刺激實(shí)現(xiàn)刺激功能的關(guān)鍵。針對(duì)刺激頻率的問(wèn)題，本發(fā)明利用單線圈電流控制系統(tǒng)2可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單線圈電流波形的閉環(huán)調(diào)節(jié)，可以準(zhǔn)確設(shè)定線圈激勵(lì)電流的脈沖頻率和波形。其二本發(fā)明利用多平面線圈陣列刺激源4與多線圈組合控制系統(tǒng)3可實(shí)現(xiàn)不同空間位置的線圈的選通組合，不同形式的線圈組合對(duì)于刺激目標(biāo)產(chǎn)生不同刺激模式，同時(shí)多線圈組合控制系統(tǒng)3引入了以刺激目標(biāo)磁場(chǎng)強(qiáng)度為反饋?zhàn)兞康拈]環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)分布的優(yōu)化也就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電場(chǎng)即刺激分布的優(yōu)化。其三本發(fā)明中的多平面線圈陣列刺激源4為多自由度可調(diào)節(jié)的刺激源，可以針對(duì)不同外觀尺寸的刺激目標(biāo)實(shí)現(xiàn)線圈平面與其相對(duì)位置參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)。
[0025]圖1所示多平面線圈陣列中樞神經(jīng)弱磁刺激系統(tǒng)的全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)I主要包括4個(gè)部分，PC監(jiān)控平臺(tái)5、單線圈電流控制系統(tǒng)2、多線圈組合控制系統(tǒng)3、多平面線圈陣列刺激源4。PC監(jiān)控平臺(tái)5與單線圈電流控制系統(tǒng)2以及多線圈組合控制系統(tǒng)3相互連接，單線圈電流控制系統(tǒng)2和多線圈組合控制系統(tǒng)3分別與多平面線圈陣列刺激源4相互連接。PC監(jiān)控平臺(tái)5接收單線圈電流控制系統(tǒng)2的電流信息以及多線圈組合控制系統(tǒng)3的磁場(chǎng)信息，單線圈電流控制系統(tǒng)2與多線圈組合控制系統(tǒng)3接收PC監(jiān)控平臺(tái)5的指令信息。多平面線圈陣列刺激源接受多線圈組合控制系統(tǒng)2以及單線圈電流控制系統(tǒng)3的激勵(lì)電流。
[0026]圖2所示為單線圈電流控制系統(tǒng)2的系統(tǒng)框圖，微控制器6綜合期望的電流波形以及電流傳感器10的反饋數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)單線圈供電主電路7進(jìn)行控制。其具體過(guò)程為:微控制器6根據(jù)期望值與反饋值的差異，設(shè)定輸出PWM控制脈沖，PWM控制脈沖驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體電力開關(guān)8實(shí)現(xiàn)對(duì)單線圈9兩端電壓的調(diào)節(jié)，單線圈9的等效電路t吳型為RL串聯(lián)t吳型，控制其兩端電壓便能實(shí)現(xiàn)對(duì)其電流變化的控制。
[0027]圖3所示為多線圈組合控制系統(tǒng)3的系統(tǒng)框圖，每個(gè)線圈作為獨(dú)立的電流調(diào)節(jié)單元，也即每個(gè)線圈占有一個(gè)微控制器。實(shí)現(xiàn)多線圈組合控制需要協(xié)調(diào)多個(gè)微控制器的控制過(guò)程，而且多線圈的組合調(diào)節(jié)也需要目標(biāo)磁場(chǎng)強(qiáng)度作為控制變量實(shí)現(xiàn)對(duì)其的閉環(huán)控制。PC監(jiān)控平臺(tái)5中包含PC協(xié)調(diào)控制部分14，其與多個(gè)獨(dú)立的單線圈電流控制單元13通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線11實(shí)現(xiàn)