一种用于预测4制造技术

本发明专利技术公开了一种用于预测4

【技术实现步骤摘要】
一种用于预测4
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4阵列结构微磁刺激器的电磁场聚焦区域的算法


[0001]本专利技术属于生物医学工程
，具体涉及一种用于预测4
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4阵列结构微磁刺激器的电磁场聚焦区域的算法。

技术介绍

[0002]精神疾病是脑功能异常导致认知、情感、意志和行为紊乱的一类疾病，包括阿尔兹海默症、精神分裂症、自闭症和抑郁症等。电磁刺激技术是目前诊断、治疗和研究神经精神疾病的一个主要手段。目前主要技术有电刺激(Electrical Stimulation，ES)和经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)；电刺激包括深部脑刺激(Deep Brain Stimulation，DBS)、颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)。临床试验表明TMS对于治疗许多神经系统疾病，如重性抑郁症和阿尔兹海默症等都具有治疗益处。虽然，DBS和TMS对脑活动的影响以及这些影响如何改变相应行为有了一定的认识，但是二者在应用中仍存在一些技术和生物学限制。应用DBS进行治疗的患者进行磁共振成像检查可能导致在刺激电极末端过度发热而导致神经损伤，DBS刺激电极直接接触生物组织，组织的炎症和免疫反应可能改变治疗效果。TMS线圈较大(尺寸：10
‑
20cm)，磁场强度会随着场源距离的平方增大而减小，难以定位大脑深部目标区域，具有较低的空间分辨率。
[0003]微磁刺激(Micro
‑/>magnetic stimulation，μMS)作为神经调控的一种新型手段近年越来越受到重视。2012年，Bonmassar et al首次采用了亚毫米尺寸螺旋形电感器(RF 0402 inductor)可以激活神经元组织，刺激电流密度达到6.6
×
10
‑9A/m2；2016年，Lee et al采用500μm
×
500μm方形线圈和100μm
×
50μm梯形线圈，并证明能激活皮层神经元；2017年，Bonmassar首次提出了用于大脑神经元刺激的0.316mm
×
0.316mm平面方形螺旋线圈结构；2017年，Bonmassar证明了1.5mm
×
1.5mm平面方形螺旋线圈比1.5mm
×
1.27mm螺旋电感线圈在诱导神经激活方面效率更高，在组织中能产生高达5倍的电场，且能量的聚焦性更好；2018年，Bonmassar et al研究了300μm
×
300μm，厚度为100μm加强型平面方形螺旋线圈的微加工工艺。单线圈磁刺激系统的微线圈结构有多种，但产生的磁场普存在聚焦性差、空间定位不准确等问题。
[0004]早在1998年，Ruohonen et al研究了基于圆形线圈(直径2cm)的6
×
6方形线圈和六角帽形线圈，提高了磁刺激的聚焦性和靶向性。1999年，Ruohonen et al理论分析了基于圆形线圈(不同直径)的6
×
6平面方形阵列，研究表明使用相对较小尺寸(直径小于5cm)的阵列线圈，可以提高刺激的选择性和控制性。2015年，Cline et al研究了采用圆形线圈的多通道经颅磁刺激系统，提出了一种空间分布刺激策略，提高了TMS的聚焦性。2018年，Dalie et al在没有先验神经结构知识的情况下提出了多电极刺激模型，实现了选择性刺激周围神经区域的目的。2019年，Minusa et al研究了采用亚毫米线圈(ELJ
‑
RFR10JFB)的多通道磁刺激系统，并在啮齿动物体内进行实验证明了多通道μMS装置比单通道装置产生更有效的刺激。阵列结构的微磁刺激系统可以降低功耗，提高磁刺激的有效性和聚焦性，改
善空间定位，但多通道磁刺激理论的研究都是基于圆形线圈和商用螺旋电感。
[0005]2016年，Rizou et al首次提出了一种基于平面方形螺旋线圈的6
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6阵列式微磁刺激平台，但未对平台的电磁场空间分布特性进行研究。2020年，Tian et al提出了一种基于100μm
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100μm平面方形螺旋线圈的改进型F/C结构磁刺激系统，在磁场均匀性、磁场强度和电感等方面均优于现有的单线圈微磁刺激系统。针对上述问题，本文提出了一种基于亚毫米尺寸平面方形螺旋线圈的4
×
4阵列结构多通道磁刺激器，具有高灵敏度、高空间分辨率，完成对神经元轴突方向的定向激活，对于治疗癫痫、抑郁等精神疾病具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决神经细胞的定向磁刺激，实现强聚焦性和高空间分辨率的问题，提出一种用于预测4
×
4阵列结构微磁刺激器电磁场空间聚焦区域的新方法。
[0007]专利技术技术方案是：
[0008]4×
4阵列结构微磁刺激器，由标号为00到33的16个平面方形螺旋线圈组成，每个线圈编号为S
mn
，尺寸为100μm
×
100μm，材料为Cu，线圈的线度为2μm，匝数为8，线间距为4μm，线圈厚度为1.7μm，单线圈与单线圈的间距为2μm，方法如下：
[0009](1)电磁场计算方法
[0010]A.磁场的计算
[0011]m
×
n阵列结构微磁刺激器在空间某点r＝(x，y，z)产生的磁场B为单线圈S
mn
在r点产生的磁场B
mn
的矢量和：
[0012]B(r)＝∑
mn
B
mn
(r
‑
r
mn
)，m，n＝1，2，3
……ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0013]单个平面方形螺旋线圈S
mn
的电场B
mn
为不同边长的平面方形线圈在r点产生的电场B
S1
、B
S2
、B
S3
……
B
sn
矢量和：
[0014]B
mn
(r
‑
r
mn
)＝B
s1
(r
‑
r
mn
)+B
s2
(r
‑
r
mn
)+B
s3
(r
‑
r
mn
)+
……
+B
sn
(r
‑
r
mn
)m，n＝1，2，3
……ꢀ
(2)
[0015]其中，边长为a的平面方形线圈在空间r点的磁场B
s
为：
[0016][0017][0018][0019][0020]B
Bc
、B...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于预测4
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4阵列结构微磁刺激器电磁场聚焦区域的方法，其特征在于，包括所述4
×
4阵列结构微磁刺激器，由标号为00到33的16个平面方形螺旋线圈组成，每个平面方形螺旋线圈编号为S
mn
，尺寸为100μm
×
100μm，材料为Cu，线圈的线度为2μm，匝数为8，线间距为4μm，线圈厚度为1.7μm，单线圈与单线圈的间距为2μm，方法如下：(1)电磁场计算方法对所述4
×
4阵列结构微磁刺激器进行电磁场理论的公式推导，主要包括磁场和感应电场的公式推导，其中：磁场B的计算公式为：其中，r＝(x，y，z)是空间某点坐标，r
mn
为线圈S
mn
在3维空间中坐标，B
mn
为线圈S
mn
通入电流I
mn
产生的电场；感应电场E的计算公式为：其中，r＝(x，y，z)是空间某点坐标，r
mn
为线圈S
mn
在3维空间中坐标，E
mn
为线圈S
mn
通入电流I
mn
产生的感应电场；(2)分析电磁场空间分布特性对所述4
×
4阵列结构微磁刺激器进行电磁场分布特性的研究，主要包括同向电流的电磁场分布特性，通入电流大小均为25mA，70kHz的正弦信号，其中：对4
×
4阵列结构微磁刺激器中的S
30
线圈通入顺时针方向电流，磁场的聚焦区域集中在线圈中心位置，电场的聚焦区域集中在线圈的四周，电场强度最大值为183.64mV/m，平均电场强度为84.95mV/m，超过73mV/m的数据占71.79％；对4
×
4阵列结构微磁刺激器中16个线圈同时通入顺时针方向电流，磁场的聚焦区域集中在线圈中心位置，单线圈和单线圈的相邻处；电场的聚焦区域集中在单线圈的四周、单线圈和单线圈的相邻处；电场强度最大值为614.7mV/m，平均电场强度为122.82mV/m，超过73mV/m的数据占84.39％；(3)电磁场空间分布的预测对所述4
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4阵列结构微磁刺激器通入多向电流进行电磁场空间分布特性预测，通入电流大小均为25mA，70kHz的正弦信号，方法如下：对所述4
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4阵列结构微磁刺激器分别通入I、II、III|、IV方向电流，其中
①
电流方向为I时，电磁场分布规律为：线圈相邻处磁场强...

【专利技术属性】
技术研发人员：田磊，郑羽，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：