專利名稱：一種動態(tài)可變多通道經(jīng)顱磁刺激線圈陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及生物電磁學技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種動態(tài)可變多通·道經(jīng)顱磁刺激線圈陣列及其控制方法。
背景技術(shù)：
磁場可以幾乎無損耗地穿透頭顱。經(jīng)顱磁刺激(TMS)通過在TMS線圈內(nèi)導入脈沖電流產(chǎn)生交變磁場，磁場穿透頭顱(圖I. a)，在被刺激部位下方的大腦皮層誘導出微弱的感應電流(圖I. b，圖I. C)。如果誘導電流與神經(jīng)纖維相平行，可以誘導較強的膜電位從而引起神經(jīng)元細胞活動。目前TMS被廣泛應用于腦科學、認知科學以及臨床醫(yī)療領(lǐng)域?，F(xiàn)有的TMS大都采用單通道ο形線圈(如圖I. b所示)或8字形線圈(如圖I. c所示)施加TMS刺激。ο形線圈可以在腦內(nèi)產(chǎn)生較大范圍的環(huán)形磁場；8字形線圈的本質(zhì)是兩個電流方向相反的ο形線圈緊密相連，其產(chǎn)生的電場強度雖然不如ο形線圈，但在兩個ο形線圈的連接處可以產(chǎn)生較為集中的電流分布。從而可以產(chǎn)生較為集中的刺激?，F(xiàn)有的TMS裝置均是采用單通道TMS線圈放置于固定的頭皮位置進行刺激?；谀X科學、認知科學以及臨床醫(yī)療領(lǐng)域的研究需求，在全頭范圍內(nèi)實施多通道TMS刺激已成為發(fā)展趨勢。ー些研究曾嘗試開發(fā)多通道TMS線圈，但是這些研究只是將多個單通道TMS線圈簡單地配置在頭顱表面來實現(xiàn)所謂的多通道TMS刺激(圖2)。如J. Ruohonen(Multichannel magnetic stimulation: improved stimulus targeting, 1996 ；Focusingand targeting of magneric brain stimulation using multiple coils，1998;Theory of multichannel magnetic stimulation: toward functional neuromuscularrehabilitation，1999)， SL Ho (Optimization of array magnetic coil design forfunctional magnetic stimulation based on improved genetic algorithm，2009)，BY. Han (Multichannel magnetic stimulation system design considering mutualcouplings among the stimulation coils，2004)等人的研究小組提出了將多個單通道ο形線圈緊密排列組成線圈陣列的概念(圖2. (a)-(c))。而XM. Wang (Design ofmulti-channel brain magnetic stimulator and ANSYS simulation，2005)矛ロ CH. Im(しomputer—aided performance evaluation of a multichannel transcranial magneticstimulation system，2006)等人的研究小組則提出了分散排列多個單通道ο形線圈構(gòu)成多通道 TMS 線圈陣列的概念(圖 2. (d)(e))。GZ. Xu (The optimal design of magneticcoil in transcranial magnetic stimulation，2005)等人的研究則設(shè)想將多個單通道 o形線圈在空間加以疊加以形成多通道TMS線圈陣列(圖2. (f))。以上所列舉的方案都沒有擺脫在頭顱表面配置多個單通道O形線圈來實現(xiàn)多通道TMS刺激的思路。由于線圈本身的形狀和尺寸的限制，以及線圈與線圈之間的間隔等制約要素，使得上述方案中線圈陣列中的TMS線圈無法緊密分布，即無法實現(xiàn)高分辨率的線圈配置。另ー方面，將TMS應用于腦科學研究中，常常需要對同一實驗條件進行多次實驗，而每一次實驗中都需對每個單通道線圈逐個進行精確定位以確保線圈與頭顱，及線圈與線圈的相對位置符合預先設(shè)定的要求。上述方案中存在眾多的單通道線圈，對這些TMS線圈逐一加以定位必將導致實際操作的復雜化。這種操作的復雜化也必將極易誘發(fā)定位誤差的發(fā)生，而這都將大大降低實驗的可重復性。此外，上述方案中每個單通道TMS線圈都需要專門的控制單元，多通道必然導致控制單元的復雜化，并將加大成本。最后，也是最重要的一點，即上述TMS線圈設(shè)計方案均無法實現(xiàn)刺激類型的動態(tài)可變。上述設(shè)計方案都是采用了 ο形線圈的排列從而形成多通道線圈陣列。在實際TMS使用過程中，常常希望根據(jù)實際需要選擇不同的刺激面積和刺激種類(ο形或8字形)。而上述TMS線圈設(shè)計方案中線圈的尺寸規(guī)格均為固定不變，線圈類型固定為ο形線圈，這使得刺激面積和種類都無法根據(jù)需求實現(xiàn)動態(tài)改變。綜上所述，圖2中所示的現(xiàn)有的多通道TMS線圈設(shè)計方案均存在著分辨率低、線圈 定位難、控制単元多以及系統(tǒng)的不易變通性等問題。這成為導致近年來多通道TMS研究停滯的直接原因。而在實施TMS刺激中，根據(jù)需要任意地改變刺激部位、刺激方式和刺激強度等動態(tài)的研究更是傳統(tǒng)方法所無法實現(xiàn)的。本方案針對這ー現(xiàn)狀，將提出一種新型動態(tài)可變多通道TMS線圈陣列設(shè)計方案。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種全新的全頭型動態(tài)可變多通道TMS線圈陣列設(shè)計方法和控制技術(shù)，利用本方案設(shè)計的新型TMS線圈陣列，可以在全頭范圍內(nèi)同時產(chǎn)生多個TMS線圈，還可改變刺激面積大小、強度和刺激方式(選擇ο形或8字形)。該線圈陣列可以實現(xiàn)多通道高空間分辨率的TMS刺激，并且可以實現(xiàn)刺激位置和方式的動態(tài)可變。實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)解決方案為一種動態(tài)可變多通道經(jīng)顱磁刺激線圈陣列，該線圈陣列包括ー組S方向等間距的直線絕緣銅導線、ー組C方向等間距的直線絕緣銅導線和控制單元；s方向和C方向分別對應于大腦的矢狀軸和冠狀軸，S方向和C方向的兩組導線相互垂直交叉且彼此絕緣構(gòu)成網(wǎng)狀線圈陣列，每根直線導線的輸入端或輸出端均連接ー個獨立的控制單元；該線圈陣列在空間上彎曲成球面，球面弧度符合人體頭顱曲面形狀，整個線圈陣列呈頭盔形狀并覆蓋全頭范圍。所述的控制単元用于控制導線的閉合狀態(tài)、電流的流入或流出方向以及電流強度。TMS線圈之間沒有間隔且呈陣列狀緊密排列。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點本實用新型提出了全新的高分辨率動態(tài)可變多通道TMS線圈陣列設(shè)計方法。相比較傳統(tǒng)的TMS線圈，基于該理論設(shè)計出的TMS線圈陣列具有以下特點和優(yōu)點(I)可以實現(xiàn)TMS線圈的種類、規(guī)格和尺寸、位置、數(shù)量和刺激強度的實時可變性通過對導線開關(guān)的控制，可以通過將TMS線圈變化成ο形或8字形以改變刺激方式；通過對接入電流導線間隔的控制，可以產(chǎn)生不同規(guī)格和大小的TMS線圈；通過對接入電流導線位置的控制，可以在指定的位置產(chǎn)生TMS線圈；通過對接入電流導線數(shù)量的控制，可以產(chǎn)生不同數(shù)量的TMS線圈；通過對導線內(nèi)電流強度的控制，可以改變TMS刺激大?。簧鲜龃碳?shù)的變化均可實現(xiàn)實時控制，可以確保刺激參數(shù)的實時可變性。(2)可以提供高空間分辨率刺激[0016]相對于在頭顱表面布置多個單通道傳統(tǒng)線圈構(gòu)成多通道TMS線圈的傳統(tǒng)設(shè)計方案，本方案可以實現(xiàn)無間距的緊密陣列式分布，可以最大程度地減少TMS線圈之間的距離，這為提供高空間分辨率TMS刺激提供了可能。(3)可以保證多通道線圈位置的精確定位由于整個線圈陣列相對于頭部的位置可以精確定位，而各個TMS線圈之間的相對位置又是固定不變的，所以可以 簡單并且準確地控制各個TMS線圈與頭顱，以及各個TMS線圈之間的相對位置。這為準確定位各個TMS線圈位置提供了保障。(4)可以更加有效地刺激腦神經(jīng)有別于傳統(tǒng)設(shè)計中O形線圈和8字形線圈產(chǎn)生的是圓形的誘導電流分布，本方案中TMS線圈為方形，可以在顱內(nèi)產(chǎn)生方形的誘導電流分布。如前所述，如果誘導電流與神經(jīng)纖維相平行，可以誘導較強的膜電位從而引起神經(jīng)元細胞活動。由于大腦神經(jīng)纖維多呈同向平行分布，因此相比較傳統(tǒng)的圓形誘導電流分布，方形的誘導電流分布顯然可以激發(fā)更多數(shù)量神經(jīng)纖維活動，從而更加有效地刺激腦神經(jīng)。(5)可以產(chǎn)生復雜類型的刺激有別于傳統(tǒng)TMS線圈設(shè)計方案中只能產(chǎn)生O形或8字形線圈。在本方案中，除了可以生成ο形和8字形線圈，還可以生成諸如品字形、88形和十字形等復雜類型的TMS線圈。(6)可以極大地減少控制単元對于如圖4所示的NxN的線圈陣列，如果采用單通道TMS線圈的簡單排列這種傳統(tǒng)設(shè)計思路，需要NxN個控制単元；而采用本方案的設(shè)計思路，則只需2 (N+1)個控制単元。這極大地簡化了控制單元的復雜性，節(jié)約控制成本。

附圖I為TMS原理圖及傳統(tǒng)ο形或8字形TMS線圈，(a) TMS刺激原理圖(b) ο形線圈和8字形線圈原理圖。附圖2為現(xiàn)有的多通道TMS線圈設(shè)計方案。(a) J. Ruohonen研究小組設(shè)計方案(b) SL. Ho研究小組設(shè)計方案(c) BY. Han研究小組設(shè)計方案(d) XM. Wang研究小組設(shè)計方案(e) CH. Im研究小組設(shè)計方案(f) GZ. Xu研究小組設(shè)計方案。附圖3為本方案提出的TMS線圈陣列設(shè)計示意圖。附圖4為本方案提出的TMS線圈陣列原理圖。附圖5為本方案實現(xiàn)不同尺寸O形線圈示意圖；(a)小尺寸O形線圈(b)大尺寸ο形線圈。附圖6為本方案實現(xiàn)不同尺寸8字形線圈示意圖；(a)小尺寸8字形線圈(b)大尺寸8字形線圈。附圖7為本方案實現(xiàn)多尺寸多通道TMS線圈示意圖；(a)多尺寸多通道ο形線圈(b)多尺寸多通道8字形線圈。附圖8為本方案實現(xiàn)品字形、88形和十字形TMS線圈示意圖。附圖9為本方案實現(xiàn)多尺寸多通道多類型TMS線圈示意圖。附圖10為本方案設(shè)計的模擬計算結(jié)果；(a)本方案O形線圈產(chǎn)生的電流分布模擬結(jié)果(b)本方案8字形線圈產(chǎn)生的電流分布模擬結(jié)果。
具體實施方式
本實用新型提出了一種覆蓋全頭的多通道TMS線圈陣列設(shè)計方案。該線圈陣列由ー組S方向和ー組C方向等間距的直線絕緣銅導線垂直交叉構(gòu)成。S方向和C方向分別對應于大腦的矢狀軸和冠狀軸。縱橫兩組導線相互交叉但彼此絕緣構(gòu)成網(wǎng)狀線圈陣列。該線圈陣列在空間上彎曲成球面，其弧度設(shè)計為與人體頭顱曲面接近，整個線圈陣列呈頭盔形狀井覆蓋全頭范圍。線圈陣列中每根導線由獨立的控制單元控制，控制單元則由計算機加以控制。每個控制單元可以控制導線的閉合狀態(tài)、電流的流入或流出、以及電流強度。通電的導線在其周圍會產(chǎn)生磁場，傳統(tǒng)的TMS線圈在閉合線圈內(nèi)導入電流從而在 導線周圍產(chǎn)生垂直于線圈平面的磁場，該磁場貫穿頭顱產(chǎn)生誘導電流并最終刺激腦神經(jīng)。在本方案中，通過對每根導線的電流導入或?qū)С鲆约皩Ь€的閉合狀態(tài)的控制，使S方向2根導線和C方向2根導線構(gòu)成的環(huán)狀區(qū)域中的電流方向相同，即同為順時針或同為逆時針方向，則由該4根彼此絕緣的導線所生成的環(huán)狀區(qū)域中產(chǎn)生的誘導電場分布等同于方形閉環(huán)回路所產(chǎn)生的誘導電場分布。ο形誘導電場分布與方形誘導電場分布雖然在形狀上有所不同，但對于環(huán)狀誘導電流這一本質(zhì)沒有差異，因此，本方案所采用的方形線圈可以實現(xiàn)傳統(tǒng)ο形線圈功能。由于8字形線圈是由相鄰的2個電流方向相反的O形線圈形成，通過對各個導線的電流方向的控制，本方案在線圈陣列內(nèi)可以生成2個彼此相鄰且電流方向相反的閉環(huán)。因此，本方案同樣可以實現(xiàn)傳統(tǒng)8字形線圈的功能。通過對各個導線的電流方向的控制，可以控制在線圈陣列中構(gòu)成TMS線圈的種類、規(guī)格和尺寸、位置、數(shù)量。通過對各個導線的電流強度的控制，可以控制產(chǎn)生的TMS刺激的強度。由于控制単元的參數(shù)可以實時改變，線圈陣列中產(chǎn)生的TMS線圈的種類、規(guī)格和尺寸、位置、數(shù)量以及刺激強度均可實時改變。因此，本方案可以產(chǎn)生多通道動態(tài)可變TMS刺激。此外，由于整個線圈陣列呈網(wǎng)狀分布，相鄰線圈之間沒有距離且不存在空隙，這使得本方案可以產(chǎn)生空間分辨率較高的TMS線圈陣列。此外，由于導線的間距、導線的根數(shù)等參數(shù)是固定值，在線圈陣列內(nèi)部產(chǎn)生的各個TMS線圈相對于整個線圈陣列的位置也是明確可知的，這使得對多通道TMS線圈的定位方便可行。在實際使用中，無需對多通道TMS線圈逐個定位，只需將整個線圈陣列在頭顱上定位，即可一次性完成多通道TMS線圈的定位エ作。因此，本方案可以實現(xiàn)高分辨率的多通道TMS線圈，同時可以確保TMS線圈定位的準確性和便捷性。
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進ー步說明。本實用新型提出了如圖3所示的頭盔式多通道TMS線圈陣列設(shè)計方案。該線圈陣列由ー組S方向等間距的直線絕緣銅導線，ー組C方向等間距的直線絕緣銅導線和控制單兀構(gòu)成。S方向和C方向分別對應于大腦的矢狀軸和冠狀軸,S方向和C方向的兩組導線相互垂直交叉且彼此絕緣構(gòu)成網(wǎng)狀線圈陣列，每根直線導線的輸入端或輸出端均連接ー個獨立的控制單元。該線圈陣列在空間上彎曲成球面，球面弧度符合人體頭顱曲面形狀，整個線圈陣列呈頭盔形狀井覆蓋全頭范圍。如圖4所示，該線圈陣列由ー組S方向和ー組C方向等間距的直線導線垂直交叉構(gòu)成。S方向和C方向分別對應于大腦的矢狀軸和冠狀軸。S方向和C方向的導線相互交叉但絕緣。每根導線都分別由獨立的控制單元控制該導線的導入、導出、或是關(guān)閉狀態(tài)，控制単元同時可以控制電流強度從而控制產(chǎn)生的TMS刺激強度。各個控制單元則由計算機分別控制。如圖5所示，通過改變各個導線的電流的方向，可以在線圈陣列內(nèi)產(chǎn)生ο形線圈。如圖5. (a)中所示，當電流分別從導線S3、C5流入，而從S4、C6流出的情況下，便可以在線圈陣列中形成閉環(huán)從而產(chǎn)生小尺寸的ο形線圈。而如圖5. (b)中所示，當控制電流分別從導線S3、C3流入，而從S7、C7流出的情況下，便可以在線圈陣列中形成閉環(huán)從而產(chǎn)生大尺寸的ο形線圈。 如圖6所示，通過改變各個導線的電流的方向，可以在線圈陣列內(nèi)產(chǎn)生8字形線圏。如圖6. (a)中所示，當電流分別從導線S3、S5、C4、C6流入，而從S4、C5流出的情況下，便在可以形成兩個流向相反的閉環(huán)，從而產(chǎn)生小尺寸的8字形線圈。而如圖6. (b)中所示，當電流分別從導線S2、S8、C2、CS流入，而從S5、C5流出的情況下，便在可以形成兩個流向相反的閉環(huán)，從而產(chǎn)生大尺寸的8字形線圈。如圖7所示，通過改變各個導線的電流的方向，可以在線圈陣列內(nèi)產(chǎn)生多尺寸多通道ο形線圈。如圖7. (a)中所示，當電流分別從導線S2、C7流入，而從S3、C8流出的情況下，便可以在線圈陣列左上角產(chǎn)生小尺寸的ο形線圈。而當控制電流分別從導線S4、C2流入，而從S8、C6流出的情況下，便可以在線圈陣列右下角產(chǎn)生大尺寸的ο形線圈。如圖
7.(b)中所示，當電流分別從導線SI、S3、C7、C9流入，而從S2、C8流出的情況下，便可以在線圈陣列左上角產(chǎn)生小尺寸的8字形線圈。而當控制電流分別從導線S3、S9、C1、C7流入，而從S6、C4流出的情況下，便可以在線圈陣列右下角產(chǎn)生大尺寸的8字形線圈。如圖8所示，除了傳統(tǒng)ο形和8字形TMS線圈，通過改變各個導線的電流的方向，可以在線圈陣列內(nèi)產(chǎn)生其它類型的TMS線圈當電流分別從導線S2、S4、C5、C7流入，而從S3、C6、CS流出的情況下，在線圈陣列的左上角可以實現(xiàn)品字形TMS線圈；當電流分別從導線S6、S8、C7、C9流入，而從S7、S9、C6、C8流出的情況下，在線圈陣列的右上角可以實現(xiàn)88形TMS線圈；當電流分別從導線S4、S6、C2、C4流入，而從S3、S5、Cl、C3流出的情況下，在線圈陣列中下方可以實現(xiàn)十字形TMS線圈。如圖9所示，通過改變各個導線的電流的方向，可以在線圈陣列內(nèi)產(chǎn)生多尺寸多通道多類型TMS線圈。如圖9中所示，當電流分別從導線S2、S4、C7流入，而從S3、C6、C8流出的情況下，便可以在線圈陣列中左上角產(chǎn)生小尺寸的8字形線圈。當電流分別從導線S9、C7流入，而從S6、C6流出的情況下，便可以在線圈陣列中右上角產(chǎn)生扁長0形線圈。當電流分別從導線S4、S9、Cl、C5流入，而從S3、S6、C3流出的情況下，便可以在線圈陣列中下方產(chǎn)生不等邊長的品字形線圈。因此，通過改變電流方向，可以在線圈陣列中同時產(chǎn)生不同尺寸，不同類型的多個TMS線圈。如圖10所示，圖10. (a)中是顯示的對本方案產(chǎn)生的ο形線圈進行電磁場模擬計算得到的TMS誘導電流分布圖。如圖10. (a)所示，電流分布在ο形線圈中呈環(huán)狀分布并在中央達到最大值，符合傳統(tǒng)ο形線圈所對應的誘導電流分布；圖10. (b)中是顯示的是對本方案產(chǎn)生的8字形線圈進行電磁場模擬計算得到的TMS誘導電流分布圖。如圖10. (b)所示，電流分布在8字形線圈中相鄰的2個ο形線圈中呈環(huán)狀分布并在交接處達到最大值，符合傳統(tǒng)8字形線圈所對應的誘導電流分布。基于模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)本方案提出的設(shè)計方案 滿足線圈的設(shè)計指標，因此本方案具有很好的可行性。
權(quán)利要求1.一種動態(tài)可變多通道經(jīng)顱磁刺激線圈陣列，其特征在于該線圈陣列包括一組S方向等間距的直線導線、一組C方向等間距的直線導線和控制單元；S方向和C方向分別對應于大腦的矢狀軸和冠狀軸，S方向和C方向的兩組導線相互垂直交叉且彼此絕緣構(gòu)成網(wǎng)狀線圈陣列，每根直線導線的輸入端或輸出端均連接一個獨立的控制單元；該線圈陣列在空間上彎曲成球面，球面弧度符合人體頭顱曲面形狀，整個線圈陣列呈頭盔形狀并覆蓋全頭范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的動態(tài)可變多通道經(jīng)顱磁刺激線圈陣列，其特征在于所述的控制單元用于控制導線的閉合狀態(tài)、電流的流入或流出方向以及電流強度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的動態(tài)可變多通道經(jīng)顱磁刺激線圈陣列，其特征在于所述S方向和C方向的兩組導線為直線絕緣銅導線。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的動態(tài)可變多通道經(jīng)顱磁刺激線圈陣列，其特征在于TMS線圈 之間沒有間隔且呈陣列狀緊密排列。
專利摘要本實用新型公開了一種動態(tài)可變多通道經(jīng)顱磁刺激線圈陣列及其控制方法，該線圈陣列包括一組S方向等間距的直線導線、一組C方向等間距的直線導線和控制單元；S方向和C方向分別對應于大腦的矢狀軸和冠狀軸，S方向和C方向的兩組導線相互垂直交叉且彼此絕緣構(gòu)成網(wǎng)狀線圈陣列，每根直線導線的輸入端或輸出端均連接一個獨立的控制單元；該線圈陣列在空間上彎曲成球面，球面弧度符合人體頭顱曲面形狀，整個線圈陣列呈頭盔形狀并覆蓋全頭范圍。利用本實用新型的TMS線圈陣列，可以在全頭范圍內(nèi)同時產(chǎn)生多個TMS線圈，還可改變刺激面積大小、強度和刺激方式；該線圈陣列可以實現(xiàn)多通道高空間分辨率的TMS刺激，并且可以實現(xiàn)刺激位置和方式的動態(tài)可變。
文檔編號A61N2/04GK202637725SQ20122017195
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者葛盛, 陳戟, 王建朋, 楊國, 康煒, 吳文 申請人:南京理工大學