基于磁谐振耦合式正交八字形线圈组的经颅磁刺激系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于磁谐振耦合式正交八字形线圈组的经颅磁刺激系统，该系统由八字形线圈Ⅰ和线圈Ⅱ正交组成八字形线圈组。系统中的第一谐振线圈、第二谐振线圈之间外切，第三谐振线圈与第四谐振线圈外切，四个谐振线圈均为内径56mm，外径62mm；相应的四组源线圈与谐振线圈共圆心，四个源线圈的尺寸均为内径30mm，外径36mm。有益作用效果是该系统源线圈通入相同强度电流时，针对颅内同等深度患处刺激强度增加；由源线圈传导到头颅模型上的能量利用率提高三倍以上。在满足提高能量利用效率和降低激励电流强度要求的同时，能够实现刺激深度的加强，同时增加靶位刺激的准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于磁谐振耦合式正交八字形线圈组的经颅磁刺激系统
本专利技术涉及生物医学工程电磁学知识，从而提出一种基于磁谐振耦合式正交八字形线圈组的经颅磁刺激系统。
技术介绍
电磁场作用于生物体时会产生一定的生物效应，这是生物电工领域的发展方向之一。经颅磁刺激(TMS)是一种无创生物刺激技术，它利用时变磁场产生感应电场，引起生物电流在组织中传导，改变大脑皮层神经细胞的动作电位，影响脑内代谢和神经电活动。自从1985年Barker等人成功地利用磁刺激技术首次在人体上实现大脑皮层的中枢神经刺激以来,TMS就受到人们的广泛关注。TMS装置主要包括脉冲电流发生回路和磁刺激线圈，现在常用的线圈有圆形线圈，八字形线圈，四叶形线圈，H形线圈等。然而，存在的线圈拓扑不能将感应电场集中到目标区域并且保持在脑表面上的刺激强度，从而影响着深脑治疗效应。刺激强度、深度和聚焦性是评判TMS系统性能最重要的因素。近年来，科研人员已经进行了大量尝试来改善TMS系统的刺激深度和焦点的性能。自从Ueno等人在1988年提出了第一个八字形线圈，它在之后的科研和临床试验中经常被使用。八字形线圈由两个单圆线圈(或多匝圆线圈)置于同一平面内形成八字形结构；使用时在两个(组)线圈中通入反向电流，产生的聚焦磁场位于两翼线圈相切处的下方，则两个(组)线圈交汇处磁场强度、变化率出现极大值，以此感应出的电场作为诊疗使用的刺激源。然而，该技术目前还存在一些问题，其中最为突出的是传统八字形线圈的刺激强度和深度、刺激的聚焦程度以及刺激效率之间存在不足，不能准确有效地刺激目标。足够的刺激深度可以使磁刺激仪在人体表面以下的组织上仍有一定的刺激强度，这样才能对颅内神经组织进行有效的刺激。高聚焦度可以缩小刺激范围，增强刺激针对性，减少对非靶组织的影响。传统八字形线圈作为一种常见的TMS的刺激源构型，其优势在于能较好的提高刺激聚焦性，但是其刺激的渗透深度降低，而且刺激效率较低，同时，它需要高功率和高电流，不利于TMS的家用化。
技术实现思路
针对现有TMS技术存在的不足，本专利技术提出一种结合磁谐振耦合原理的改进的新型正交八字形线圈组的经颅磁刺激系统。利用该系统实现在增强刺激强度和聚焦程度的情况下，减少能量供应，同时改进刺激效率，从而实现比传统八字形线圈更加准确有效地刺激目标。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是提供基于磁谐振耦合原理的正交八字形线圈组经颅磁刺激系统，其中：所述正交八字形线圈组经颅磁刺激系统包括有电路拓扑Ⅰ和电路拓扑Ⅱ，电路拓扑Ⅰ包括第一线圈单元A和第二线圈单元B外切构成八字形线圈结构，电路拓扑Ⅱ由第三线圈单元C和第四线圈单元D外切构成八字形线圈结构；第一线圈单元A包括有第一源线圈、第一谐振线圈，第二线圈单元B包括有第二源线圈、第二谐振线圈，第三线圈单元C包括有第三源线圈、第三谐振线圈，第四线圈单元D包括有第四源线圈、第四谐振线圈；第一谐振线圈、第二谐振线圈外切，第三谐振线圈、第四谐振线圈外切，每个线圈单元中的源线圈和谐振线圈都共圆心，并且源线圈的内径和外径分别是30mm、36mm，谐振线圈的内径和外径分别是56mm、62mm。本专利技术的效果是该正交八字形线圈组经颅磁刺激系统较传统正交八字形线圈组经颅磁刺激系统存在明显的刺激强度的优势，可在局部使刺激强度提高3.6倍左右，实施刺激时，若给源线圈提供与传统八字形线圈组相同的电流强度，由于谐振线圈的存在，MRC正交八字形线圈组的能量传导效率相较于传统正交八字形线圈组提高三倍以上。附图说明图1为本专利技术的基于磁谐振耦合原理的正交八字形线圈组经颅磁刺激系统的电路拓扑图；图2-1、图2-2分别为传统正交八字形线圈组和本专利技术的基于磁谐振耦合原理的正交八字形线圈组经颅磁刺激系统的线圈空间构型图；图3-1-1、图3-1-2分别为传统正交八字形线圈组和本专利技术的基于磁谐振耦合原理正交八字形线圈组经颅磁刺激系统在选定深度处刺激聚焦性的仿真对比图，图3-1-3是磁感应强度的大小比例。图4-1为传统正交八字形线圈组和本专利技术的基于磁谐振耦合原理正交八字形线圈组经颅磁刺激系统在大脑表皮处刺激时磁感应强度对比图；图4-2为传统正交八字形线圈组和本专利技术的基于磁谐振耦合原理正交八字形线圈组经颅磁刺激系统在大脑表皮处刺激时感应电流密度对比图；图5为传统正交八字形线圈组和本专利技术的基于磁谐振耦合原理正交八字形线圈组经颅磁刺激系统的刺激强度和刺激效率对比图。图中：1、第一源线圈2、第一谐振线圈3、第二源线圈4、第二谐振线圈5、第三源线圈6、第三谐振线圈7、第四源线圈8、第四谐振线圈A、第一线圈单元B、第二线圈单元C、第三线圈单元D、第四线圈单元Ⅰ、Ⅱ：八字形线圈拓扑结构具体实施方式结合附图对本专利技术的基于磁谐振耦合原理的正交八字形线圈组经颅磁刺激系统的结构进行描述。本专利技术的基于磁谐振耦合原理的正交八字形线圈组经颅磁刺激系统的设计思想在于利用磁谐振耦合系统的频率敏感性，改进传统以正交八字形线圈组结构设计为基础的经颅磁刺激技术的电路拓扑以及线圈空间构型，实现刺激强度、刺激深度以及刺激效率均满足要求的靶位刺激。图1所示为本专利技术的基于磁谐振耦合原理的正交八字形线圈组经颅磁刺激系统完整八字形线圈的电路拓扑结构。基于磁谐振耦合原理的正交八字形线圈组经颅磁刺激系统的结构是：所述的正交八字形线圈组系统由电路拓扑Ⅰ和Ⅱ组成的八字形线圈正交构成线圈组。其中，电路拓扑Ⅰ包括第一线圈单元A和第二线圈单元B外切构成八字形线圈结构，电路拓扑Ⅱ由第三线圈单元C和第四线圈单元D外切构成八字形线圈结构。第一线圈单元A由第一源线圈1、第一谐振线圈2构成，第二线圈单元B由第二源线圈3、第二谐振线圈4构成，第三线圈单元C由第三源线圈5、第三谐振线圈6构成，第四线圈单元D由第四源线圈7、第四谐振线圈8构成。第一谐振线圈2、第二谐振线圈4外切，第三谐振线圈6、第四谐振线圈8外切。每个线圈单元中的源线圈和谐振线圈都共圆心，并且源线圈的内径和外径分别是30mm、36mm，谐振线圈的内径和外径分别是56mm、62mm。所述系统中，第一线圈单元A的电路结构描述如下：第一源线圈所在电路单元由交流电源AC1、电阻Rs1、电感Ls1、电容Cs1串联而成，第一谐振线圈所在电路单元由电阻Rr1、电感Lr1、电容Cr1串联而成。电感Ls1和Lr1之间存在互感，互感系数为M1。第二线圈单元B的电路结构描述如下：第二源线圈所在电路单元由交流电源AC2、电阻Rs2、电感Ls2、电容Cs2串联而成，第二谐振线圈所在电路单元由电阻Rr2、电感Lr2、电容Cr2串联而成。电感Ls2和Lr2之间存在互感，互感系数为M2。第三线圈单元C的电路结构描述如下：第三源线圈所在电路单元由交流电源AC3、电阻Rs3、电感Ls3、电容Cs3串联而成，第三谐振线圈所在电路单元由电阻Rr3、电感Lr3、电容Cr3串联而成。电感Ls3和Lr3之间存在互感，互感系数为M3。第四线圈单元D的电路结构描述如下：第四源线圈所在电路单元由交流电源AC4、电阻Rs4、电感Ls4、电容Cs4串联而成，第四谐振线圈所在电路单元由电阻Rr4、电感Lr4、电容Cr4串联而成。电感Ls4和Lr4之间存在互感，互感系数为M4。所述的第一线圈单元A、第二线圈单元B组合成八字形线圈Ⅰ，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁谐振耦合原理的正交八字形线圈组经颅磁刺激系统，其特征是：所述正交八字形线圈组经颅磁刺激系统包括有电路拓扑Ⅰ和电路拓扑Ⅱ，电路拓扑Ⅰ包括第一线圈单元A和第二线圈单元B外切构成八字形线圈结构，电路拓扑Ⅱ由第三线圈单元C和第四线圈单元D外切构成八字形线圈结构；第一线圈单元A包括有第一源线圈(1)、第一谐振线圈(2)，第二线圈单元B包括有第二源线圈(3)、第二谐振线圈(4)，第三线圈单元C包括有第三源线圈(5)、第三谐振线圈(6)，第四线圈单元D包括有第四源线圈(7)、第四谐振线圈(8)；第一谐振线圈(2)、第二谐振线圈(4)外切，第三谐振线圈(6)、第四谐振线圈(8)外切，每个线圈单元中的源线圈和谐振线圈都共圆心，并且源线圈的内径和外径分别是30mm、36mm，谐振线圈的内径和外径分别是56mm、62mm；所述系统的第一线圈单元A的电路结构为：第一源线圈所在电路单元由交流电源AC1、电阻Rs1、电感Ls1、电容Cs1串联，第一谐振线圈所在电路单元由电阻Rr1、电感Lr1、电容Cr2串联，电感Ls1和Lr1之间存在互感，互感系数为M1；第二线圈单元B的电路结构为：第二源线圈所在电路单元由交流电源AC2、电阻Rs2、电感Ls2、电容Cs2串联而成，第二谐振线圈所在电路单元由电阻Rr2、电感Lr2、电容Cr2串联，电感Ls2和Lr2之间存在互感，互感系数为M2；第三线圈单元C的电路结构描述如下：第三源线圈所在电路单元由交流电源AC3、电阻Rs3、电感Ls3、电容Cs3串联而成，第三谐振线圈所在电路单元由电阻Rr3、电感Lr3、电容Cr3串联，电感Ls3和Lr3之间存在互感，互感系数为M3；第四线圈单元D的电路结构描述如下：第四源线圈所在电路单元由交流电源AC4、电阻Rs4、电感Ls4、电容Cs4串联而成，第四谐振线圈所在电路单元由电阻Rr4、电感Lr4、电容Cr4串联，电感Ls4和Lr4之间存在互感，互感系数为M4；所述的第一线圈单元A、第二线圈单元B组合成八字形线圈Ⅰ，第三线圈单元C和第四线圈单元D组合成八字形线圈Ⅱ，线圈Ⅰ和线圈Ⅱ正交组成八字形线圈组，所组成八字形线圈的二个线圈单元中心相切的中点处放电电流方向一致，将线圈Ⅰ和线圈Ⅱ正交组成的八字形线圈组的中间部位对应为靶位刺激点。...

【技术特征摘要】
1.一种基于磁谐振耦合原理的正交八字形线圈组经颅磁刺激系统，其特征是：所述正交八字形线圈组经颅磁刺激系统包括有电路拓扑Ⅰ和电路拓扑Ⅱ，电路拓扑Ⅰ包括第一线圈单元A和第二线圈单元B外切构成八字形线圈结构，电路拓扑Ⅱ由第三线圈单元C和第四线圈单元D外切构成八字形线圈结构；第一线圈单元A包括有第一源线圈(1)、第一谐振线圈(2)，第二线圈单元B包括有第二源线圈(3)、第二谐振线圈(4)，第三线圈单元C包括有第三源线圈(5)、第三谐振线圈(6)，第四线圈单元D包括有第四源线圈(7)、第四谐振线圈(8)；第一谐振线圈(2)、第二谐振线圈(4)外切，第三谐振线圈(6)、第四谐振线圈(8)外切，每个线圈单元中的源线圈和谐振线圈都共圆心，并且源线圈的内径和外径分别是30mm、36mm，谐振线圈的内径和外径分别是56mm、62mm；所述系统的第一线圈单元A的电路结构为：第一源线圈所在电路单元由交流电源AC1、电阻Rs1、电感Ls1、电容Cs1串联，第一谐振线圈所在电路单元由电阻Rr1、电感Lr1、电容Cr2串联，电感Ls1和Lr1之间存在互感，互感系数为M1；第二线圈单元B的电路结构为：第二源线圈所在电路单元由交流电源AC2、电阻Rs2、电感Ls2、电容Cs2串联而成，第二谐振线圈所在电路单元由电阻Rr2、电感Lr2、电容Cr2串联，电感Ls2和Lr2之间存在互感，互感系数为M2；第三线圈单元C的电路结构描述如下：第三源线圈所在电路单元由交流电源AC3、电阻Rs3、电感Ls3、电容Cs3串联而成，第三谐振线圈所在电路单元由电阻Rr3、电感Lr3、电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：张镇，艾文杰，邓斌，魏熙乐，于海涛，刘晨，伊国胜，王江，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12