基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈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原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统，该系统由四个相同的源线圈、谐振线圈叶片单元组构成四叶形线圈，系统中的第一源线圈、第二源线圈之间外切，第三源线圈与第四源线圈外切，第一源线圈、第三源线圈外切，第二源线圈与第四源线圈外切，四个源线圈均为内径70mm，外径80mm；相应的四组谐振线圈与源线圈共圆心，四个谐振线圈的尺寸均为内径30mm，外径40mm。有益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两倍以上。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。

Quadrolobe coil magnetic resonance coupling based on the principle of transcranial magnetic stimulation system

The invention provides a quatrefoil coil magnetic resonance coupling based on the principle of transcranial magnetic stimulation system, the system consists of four identical source coil, resonant coil blade unit composed of four leaf coil, between the first and second source source coil coil system in the cut, the coil and the fourth coil three source cut, the first source coil, a third source coil cut, second source coil and fourth source coil cut, four source coil were 70mm diameter, 80mm diameter; four resonant coil and the corresponding Co source coil center, four resonant coil dimensions are inner diameter 30mm, diameter 40mm. The beneficial effect is that when the source coil of the system enters the same intensity current, the stimulation intensity is increased for the same depth of the intracranial area, and the energy utilization rate from the source coil to the skull model is increased by more than two times. In order to satisfy the requirement of increasing energy utilization efficiency and decreasing the exciting current intensity, we can enhance the stimulation depth and increase the accuracy of target stimulation.

【技术实现步骤摘要】
基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统
本专利技术涉及经颅磁刺激技术，特别是一种基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统。
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。为了增加TMS系统的应用领域，科研人员提出了四叶形线圈的经颅磁刺激系统。然而，该技术目前还存在一些问题，其中最为突出的是传统四叶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。传统四叶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。在2015年，申请号为201510963482.5的基于磁谐振耦合原理的八字形线圈经颅磁刺激系统文件中，对于基于磁谐振耦合原理的八字形线圈经颅磁刺激系统，能够增强刺激强度和聚焦性，但该经颅磁刺激系统的刺激靶位只有一处，在两个源线圈相切点，刺激的效率不高。对于本专利技术提出的结合磁谐振耦合原理的改进的新型四叶形线圈的经颅磁刺激系统，刺激靶位增加为四处，分别是构成四叶形线圈的四个源线圈相切的切点处，能够显著增强刺激区域。从而在医学应用中增加经颅磁刺激治疗效果的效率。
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四叶形线圈的经颅磁刺激系统。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，从而实现比传统四叶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四叶形线圈经颅磁刺激系统，其中：所述四叶形线圈经颅磁刺激系统包括四组相同的电路拓扑，该电路拓扑包括第一叶片线圈单元A和第二叶片线圈单元B外切构成八字形叶片线圈Ⅰ，第三叶片线圈单元C和第四叶片线圈单元D外切构成八字形叶片线圈Ⅱ；第一叶片线圈单元A包括有第一源线圈、第一谐振线圈，第二叶片线圈单元B包括有第二源线圈、第二谐振线圈，第三叶片线圈单元C包括有第三源线圈、第三谐振线圈，第四叶片线圈单元D包括有第四源线圈、第四谐振线圈；第一源线圈、第二源线圈之间外切，第三源线圈、第四源线圈之间外切，第一源线圈、第三源线圈之间外切，第二源线圈、第四源线圈之间外切。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70mm、80mm，谐振线圈的内径和外径分别是30mm、40mm。所述系统的第一叶片线圈单元A的电路结构为：第一源线圈所在电路单元包括交流电源AC1、电阻Rs1、电感Ls1、电容Cs1串联，第一谐振线圈所在电路单元包括电阻Rr1、电感Lr1、电容Cr1串联，电感Ls1和Lr1之间互感，互感系数为M1；第二叶片线圈单元B的电路结构为：第二源线圈所在电路单元包括交流电源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包括电阻Rr2、电感Lr2、电容Cr2串联，电感Ls2和Lr2之间互感，互感系数为M2；第三叶片线圈单元C的电路结构为：第三源线圈(5)所在电路单元包括交流电源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；第四叶片线圈单元D的电路结构为：第四源线圈所在电路单元包括交流电源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包括电阻Rr4、电感Lr4、电容Cr4串联，电感Ls4和Lr4之间互感，互感系数为M4。本专利技术的效果是该四叶形线圈经颅磁刺激系统较传统四叶形线圈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2.24倍左右，实施刺激时，若给源线圈提供与传统四叶形线圈相同的电流强度，由于谐振线圈的存在，MRC四叶形线圈的能量传导效率相较于传统四叶形线圈提高两倍以上。基于该刺激强度的增强效果，具体表现为当源线圈中通入相同强度的电流时，本专利技术的四叶形线圈经颅磁刺激系统的刺激深度比传统四叶形线圈经颅磁刺激系统更大，刺激效果更好；当需要在相同深度实施刺激治疗时，本专利技术的四叶形线圈经颅磁刺激系统的源线圈中通入传统四叶形线圈电流强度的一半即可，能够显著降低激励电流强度的要求。附图说明图1为本专利技术的基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统的电路拓扑图；图2-1、图2-2分别为传统四叶形线圈和本专利技术的基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统的线圈空间构型图；图3-1、图3-2分别为JMAG仿真中，传统四叶形线圈和本专利技术的基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统对脑模型实施刺激的模型图；图4-1为传统四叶形线圈和本专利技术的基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈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为传统四叶形线圈和本专利技术的基于磁谐振耦合原理四的叶形线圈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5-1为传统四叶形线圈经颅磁刺激系统在大脑表皮刺激时磁感应强度的3D图；图5-2是磁感应强度的大小比例；图5-3为本专利技术的基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统在大脑表皮处刺激时磁感应强度的3D图；图5-4是磁感应强度的大小比例；图6-1为传统四叶形线圈在选定深度处刺激聚焦性仿真图；图6-2是磁感应强度的大小比例；图6-3为本专利技术的基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统在选定深度处刺激聚焦性仿真图；图6-4是磁感应强度的大小比例；图7为传统四叶形线圈和本专利技术的基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈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T1：第一最佳刺激点T2：第二最佳刺激点T3：第三最佳刺激点T4：第四最佳刺激点A：第一叶片线圈单元B：第二叶片线圈单元C：第三叶片线圈单元D：第四叶片线圈单元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四叶形线圈经颅磁刺激系统的结构加以说明。本专利技术的基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统的设计思想本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统，其特征是：所述四叶形线圈经颅磁刺激系统包括相互连接的四组相同的电路拓扑，该电路拓扑包括第一叶片线圈单元A、第二叶片线圈单元B外切组合成八字形叶片线圈Ⅰ，第三叶片线圈单元C和第四叶片线圈单元D外切组合成八字形叶片线圈Ⅱ，并且第一叶片线圈单元A与第三叶片线圈单元C外切，第二叶片线圈单元B和第四叶片线圈单元D外切构成八字形叶片线圈结构，八字形叶片线圈Ⅰ、八字形叶片线圈Ⅱ外切组成四叶形线圈；所述四叶形线圈的四个线圈单元中心相切的中点处放电电流方向一致，该中心相切处对应为靶位刺激点；所述第一叶片线圈单元A包括有第一源线圈(1)、第一谐振线圈(2)，第二叶片线圈单元B包括有第二源线圈(3)、第二谐振线圈(4)，第三叶片线圈单元C包括有第三源线圈(5)、第三谐振线圈(6)，第四叶片线圈单元D包括有第四源线圈(7)、第四谐振线圈(8)；第一源线圈(1)与第二源线圈(3)外切，第三源线圈(5)和第四源线圈(7)外切，第一源线圈(1)与第三源线圈(5)外切，第二源线圈(3)和第四源线圈(7)外切，每个叶片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80mm、70mm，谐振线圈的内径和外径分别是30mm、40mm；所述系统的第一叶片线圈单元A的电路结构为：第一源线圈所在电路单元包括交流电源AC1、电阻Rs1、电感Ls1、电容Cs1串联，第一谐振线圈所在电路单元包括电阻Rr1、电感Lr1、电容Cr1串联，电感Ls1和Lr1之间互感，互感系数为M1；第二叶片线圈单元B的电路结构为：第二源线圈所在电路单元包括交流电源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包括电阻Rr2、电感Lr2、电容Cr2串联，电感Ls2和Lr2之间互感，互感系数为M2；第三叶片线圈单元C的电路结构为：第三源线圈(5)所在电路单元包括交流电源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；第四叶片线圈单元D的电路结构为：第四源线圈所在电路单元包括交流电源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包括电阻Rr4、电感Lr4、电容Cr4串联，电感Ls4和Lr4之间互感，互感系数为M4。...

【技术特征摘要】
1.一种基于磁谐振耦合原理的四叶形线圈经颅磁刺激系统，其特征是：所述四叶形线圈经颅磁刺激系统包括相互连接的四组相同的电路拓扑，该电路拓扑包括第一叶片线圈单元A、第二叶片线圈单元B外切组合成八字形叶片线圈Ⅰ，第三叶片线圈单元C和第四叶片线圈单元D外切组合成八字形叶片线圈Ⅱ，并且第一叶片线圈单元A与第三叶片线圈单元C外切，第二叶片线圈单元B和第四叶片线圈单元D外切构成八字形叶片线圈结构，八字形叶片线圈Ⅰ、八字形叶片线圈Ⅱ外切组成四叶形线圈；所述四叶形线圈的四个线圈单元中心相切的中点处放电电流方向一致，该中心相切处对应为靶位刺激点；所述第一叶片线圈单元A包括有第一源线圈(1)、第一谐振线圈(2)，第二叶片线圈单元B包括有第二源线圈(3)、第二谐振线圈(4)，第三叶片线圈单元C包括有第三源线圈(5)、第三谐振线圈(6)，第四叶片线圈单元D包括有第四源线圈(7)、第四谐振线圈(8)；第一源线圈(1)与第二源线圈(3)外切，第三源线圈(5)和第四源线圈(7)外切，第一源线圈(1)与第三源线圈(5)外切，第二源线圈(3)和第四源线圈(7)外切，每个叶片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80mm、70mm，谐振线圈的内径和外径分别是30mm、40mm；所述系统的第一叶片线圈单元A的电路结构为：第一源线圈所在电路单元包括交流电源AC1、电阻Rs1、电感Ls1、电容Cs1串联，第一谐振线圈所在电路单元包括电阻Rr1、电感Lr1、电容Cr1串联，电感Ls1和Lr1之间互感，互感系数为M1；第二叶片线圈单元B的电路结构为：第二源线圈所在电路单元包括交流电源AC2、电阻Rs2...

【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