用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈制造技术

用于深部经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈，采用多层布置线圈，第一层构成基础8字形线圈，下面各层线圈沿8字形线圈中心线对称分布，调节磁场和感应电场。各层线圈中心线与对称轴的距离通过优化方法确定，优化的目标是使线圈表面产生的感应电场E(z0)和深部位感应电场E(z)比值最小。各层线圈可以在同一平面上布置，也可以相交成一定角度。本发明专利技术在深部位达到阈电位时，线圈表面感应电场处于安全的范围内，并在深部位有良好的聚焦。本发明专利技术得到的多层偏心8字形线圈沿深度方向感应电场衰减指标接近甚至优于H线圈。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于经颅磁刺激领域，特别涉及一种用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈。
技术介绍
经颅磁刺激(TranscranialMagneticStimulation，TMS)是利用时变脉冲电磁场产生的感应电场作用于大脑中枢神经系统，改变大脑皮质神经细胞的膜电位，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的一种大脑神经领域治疗方法。TMS由英国的Barker等学者于1985年首先创立，具有无痛、无损伤、无X线辐射等优点。随着计算机技术的发展，TMS以及重复经颅磁刺激技术(RepeatedTMS，rTMS)在认知神经科学、临床神经精神疾病及康复领域获得越来越多的认可。2002年以色列批准进入临床应用，2008年美国食物与药品管理局(FDA)批准使用于抗药物难治性抑郁症。中国国药监械[2002]302号批准经颅磁刺激器为II类医用电子仪器设备。经颅磁刺激设备主要由高压脉冲电源发生器、刺激线圈和控制计算机组成。其工作原理为：控制计算机对高压脉冲电源发生器发出充电/放电指令；充电时高压脉冲电源发生器对内部储能电容充电；放电时储能电容对刺激线圈放电，产生脉冲磁场，作用于脑部，产生感应电场，作用于脑部神经细胞，刺激神经细胞电生理特性，达到治疗目的。刺激线圈决定了TMS设备的脉冲磁场特性，并进一步决定了大脑神经作用区域的感应电场特性。目前的TMS设备以平面8字形和圆形线圈为主，刺激深度通常在线圈表面以下20～25mm。由于目前临床所用的刺激线圈较浅，通常在25mm以内，无法刺激到大脑皮层的深沟槽部位，更无法刺激到大脑皮质内部诸如海马体等组织，限制了经颅磁刺激的临床应用适应症的范围。纵观目前的TMS技术状况，深部位经颅磁刺激的瓶颈不在于高压脉冲电源部分，而是在于没有实用化的深部位磁刺激线圈，因此TMS业界亟需深部位磁刺激线圈。对于深部位磁刺激线圈而言，当深部位产生的感应电场达到膜内阈电位(通常为20～60V/m，Y.Rothetc.J.ClinicalNeurophysiol，vol.19，pp.361-370，2002)时，线圈的表面感应电场会很高，例如，当大于300V/m时，过高的感应电场值造成的后果就是患者在头皮部位产生刺痛感，使人无法承受，甚至会带来伤害，因此深部位磁刺激线圈设计要解决的核心问题是线圈表面产生的感应电场和深部位感应电场的比值尽可能地小，衡量深部位磁刺激线圈的指标用比值Ez(x)/Ez(z0)，比值Ez(x)/Ez(z0)越大，说明感应电场随深度衰减的越小。Ez(x)为线圈下深度为x毫米处的感应电场，Ez(z0)为线圈下深度为z0毫米处的感应电场，z0的取值为10mm或5mm，作为深度方向的参考基准。目前临床所用的平面8字形和圆形线圈线圈表面产生的感应电场和深部位感应电场的比值大于6.5倍(以50mm为例)，表面电场值远大于300V/m，因此不适合作为深部磁刺激线圈使用。一种双锥形线圈(double-conecoil)作为对8字形线圈的改进，用于30～40mm的深部位磁刺激。双锥形线圈也存在随深度衰减过快的问题，例如，要实现线圈下50mm处50V/m的感应电场强度，在线圈下10mm处的感应电场强度约为500V/m，这将是难以承受的。以色列的YiftachRoth于2002年提出了H线圈(Hesedcoil)结构，在深度方向上感应电场衰减明显小于8字形线圈，是目前较为认可的深部位磁刺激线圈结构方案。
技术实现思路
本专利技术提出一种用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈，使线圈表面产生的感应电场和深部位感应电场的比值较小，深部位达到阈电位时，线圈表面感应电场处于安全的范围内。本专利技术采用如下技术方案：用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈，由n(n≥2)层线圈组成，沿轴向叠加，最上层的一对线圈相切，组成基础8字形线圈，产生基础磁场和感应电场；以基础8字形线圈的切线为对称轴，下层的线圈成对出现；下面各层线圈中心轴与对称轴的距离依据优化方法确定，下面各层线圈的作用是调节磁场和感应电场，满足深部位磁刺激E(z0)/E(z)尽量小的要求。确定下层线圈中心位置的优化方法为：目标函数：minE(z0)/E(z)约束条件：lb(r2，r3，...，rn)≤(r2，r3，...，rn)≤ub(r2，r3，...，rn)式中，E(z0)为距最下层线圈深度为z0处的8字形线圈中心线上的感应电场，E(z)为距最下层线圈深度为z处的8字形线圈中心线上的感应电场，E(z0)/E(z)为二者的比值，优化的目标是使E(z0)/E(z)最小；优化变量为(r2，r3...，rn)，r2，r3...，rn为下层线圈2、线圈3，...，线圈n中心线到8字形中心线的距离，lb(r2，r3...，rn)和ub(r2，r3...，rn)分别为下边界条件和上边界条件。本专利技术用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈，特征是：多层布置线圈；第一层构成基础8字形线圈；下面各层线圈沿8字形线圈中心线对称分布，各层线圈中心线与对称轴的距离通过优化方法确定。各层线圈可以在同一平面上布置，也可以相交成一定角度。本专利技术提到的线圈布置结构和优化方法不仅可以用于深部位颅磁刺激线圈，也可以用于其它特殊场形要求的线圈。附图说明图1为用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈结构图。定义如图中所示的xyz空间直角坐标系，坐标原点为线圈1和线圈1’的切点中心，xoy平面为线圈平面，z轴垂直于线圈平面。图中整个线圈组件由六个子线圈组成，分别为线圈1、线圈2和线圈3，线圈1’、线圈2’和线圈3’；线圈1、线圈2和线圈3为一组，沿z轴方向分为三层，线圈2在线圈1的下方，线圈3在线圈2的下方，线圈1、线圈2和线圈3的中心轴平行且y坐标相同，x坐标不同，三个线圈通同向电流；线圈1’、线圈2’和线圈3’为另一组，以z轴为中心线，线圈1’、在x方向上对称，通电电流方向与线圈1、线圈2和线圈3电流方向相反。图2根据图1的线圈空间坐标定义，标示了所要优化的线圈参数。R2、R3为线圈2、线圈3中心线到z轴距离，(R2、R3)是要优化的参数；场点P0、Px位于z轴上，P0为电场基准点，到原点距离为Z0，Px为深部位目标电场计算点，到原点距离为Zx。图3是用于感应电场分布计算的模型，感应电场计算平面与线圈下表面的距离为Zp，感应电场计算区域在xoy平面内。图4是在图3的计算模型下，Zp＝10mm时感应电场在计算区域分布，图5是对应的感应电场等位线图。图6是在图3的计算模型下，Zp＝50mm时磁场在计算区域分布，图7感应电场分布，图8是对应的感应电场等位线图。图9是本专利技术设计的多层偏心线圈、8字形线圈、H线圈的E(z0)/E(z)对比图。图10是本专利技术另一种实施例图，左右线圈对成一定的交角α。具体实施方式以下结合附图及具体实施方式进一步说明本专利技术。图1是用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈结构图。本专利技术的实施例中，为了便于对比，把目前使本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈，由n(n≥2)层线圈组成，沿轴向叠加，最上层的一对线圈相切，组成基础8字形线圈，产生基础磁场和感应电场；以基础8字形线圈的切线为对称轴，下层的线圈成对出现；下面各层线圈中心轴与对称轴的距离依据优化方法确定，满足深部位磁刺激E(z0)/E(z)尽量小的要求。

【技术特征摘要】
1.用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈，由n(n≥2)层线圈组成，沿轴向叠
加，最上层的一对线圈相切，组成基础8字形线圈，产生基础磁场和感应电场；以基础8字
形线圈的切线为对称轴，下层的线圈成对出现；下面各层线圈中心轴与对称轴的距离依据优
化方法确定，满足深部位磁刺激E(z0)/E(z)尽量小的要求。
2.按照权利要求1所述的用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈，下面各层线圈
中心轴与对称轴的距离求解的优化方法为：
目标函数：minE(z0)/E(z)
约束条件：lb(r2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王为民，王春忠，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11