用于深部位經顱磁刺激的多層偏心8字形線圈的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于經顱磁刺激領域，特別涉及一種用于深部位經顱磁刺激的多層偏心8字形線圈。
【背景技術】
[0002]經煩磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulat1n，TMS)是利用時變脈沖電磁場產生的感應電場作用于大腦中樞神經系統，改變大腦皮質神經細胞的膜電位，影響腦內代謝和神經電活動，從而引起一系列生理生化反應的一種大腦神經領域治療方法。TMS由英國的Barker等學者于1985年首先創立，具有無痛、無損傷、無X線福射等優點。隨著計算機技術的發展，TMS以及重復經顱磁刺激技術(Repeated TMS，rTMS)在認知神經科學、臨床神經精神疾病及康復領域獲得越來越多的認可。2002年以色列批準進入臨床應用，2008年美國食物與藥品管理局(FDA)批準使用于抗藥物難治性抑郁癥。中國國藥監械
[2002]302號批準經顱磁刺激器為II類醫用電子儀器設備。
[0003]經顱磁刺激設備主要由高壓脈沖電源發生器、刺激線圈和控制計算機組成。其工作原理為:控制計算機對高壓脈沖電源發生器發出充電/放電指令;充電時高壓脈沖電源發生器對內部儲能電容充電；放電時儲能電容對刺激線圈放電，產生脈沖磁場，作用于腦部，產生感應電場，作用于腦部神經細胞，刺激神經細胞電生理特性，達到治療目的。
[0004]刺激線圈決定了TMS設備的脈沖磁場特性，并進一步決定了大腦神經作用區域的感應電場特性。目前的TMS設備以平面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，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內部諸如海馬體等組織，限制了經顱磁刺激的臨床應用適應癥的范圍。縱觀目前的TMS技術狀況，深部位經顱磁刺激的瓶頸不在于高壓脈沖電源部分，而是在于沒有實用化的深部位磁刺激線圈，因此TMS業界亟需深部位磁刺激線圈。
[0005]對于深部位磁刺激線圈而言，當深部位產生的感應電場達到膜內閾電位(通常為20?60V/m，Y.Roth etc.J.Clinical Neurophys1l，vol.19，pp.361-370，2002)時，線圈的表面感應電場會很高，例如，當大于300V/m時，過高的感應電場值造成的后果就是患者在頭皮部位產生刺痛感，使人無法承受，甚至會帶來傷害，因此深部位磁刺激線圈設計要解決的核心問題是線圈表面產生的感應電場和深部位感應電場的比值盡可能地小，衡量深部位磁刺激線圈的指標用比值Ez(X)/Ez(zO)，比值Ez(x)/Ez(zO)越大，說明感應電場隨深度衰減的越小。Ez (X)為線圈下深度為X毫米處的感應電場，Ez (zO)為線圈下深度為zO毫米處的感應電場，zO的取值為I Omm或5mm，作為深度方向的參考基準。
[0006]目前臨床所用的平面8字形和圓形線圈線圈表面產生的感應電場和深部位感應電場的比值大于6.5倍(以50mm為例)，表面電場值遠大于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，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，要實現線圈下50mm處50V/m的感應電場強度，在線圈下1mm處的感應電場強度約為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)結構，在深度方向上感應電場衰減明顯小于8字形線圈，是目前較為認可的深部位磁刺激線圈結構方案。

【發明內容】

[0007]本發明提出一種用于深部位經顱磁刺激的多層偏心8字形線圈，使線圈表面產生的感應電場和深部位感應電場的比值較小，深部位達到閾電位時，線圈表面感應電場處于安全的范圍內。
[0008]本發明采用如下技術方案:
[0009]用于深部位經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8字形線圈，產生基礎磁場和感應電場；以基礎8字形線圈的切線為對稱軸，下層的線圈成對出現;下面各層線圈中心軸與對稱軸的距離依據優化方法確定，下面各層線圈的作用是調節磁場和感應電場，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化方法為:
[0011]目標函數: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電場，Ε(ζ0)/Ε(ζ)為二者的比值，優化的目標是使Ε(ζ0)/Ε(ζ)最小;優化變量為(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]本發明用于深部位經顱磁刺激的多層偏心8字形線圈，特征是:多層布置線圈；第一層構成基礎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。本發明提到的線圈布置結構和優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為用于深部位經顱磁刺激的多層偏心8字形線圈結構圖。定義如圖中所示的xyz空間直角坐標系，坐標原點為線圈I和線圈I’的切點中心，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坐標相同，X坐標不同，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根據圖1的線圈空間坐標定義，標示了所要優化的線圈參數。R2、R3為線圈2、線圈3中心線到z軸距離，(R2、R3