多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医学工程技术，特别是一种多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统。
【背景技术】
[0002]经颅磁刺激(TMS)技术是一种新兴的无创式刺激技术，它可以用于检测和治疗神经精神疾病。其工作原理是在一组高压大容量的电容上充电，利用半导体电力开关向磁刺激线圈充电，充电电流不到I毫秒的时间可达到数千安培，瞬时功率能达到几十兆瓦，刺激线圈表面产生的脉冲磁场峰值可达到l-4T(tesla，T，特斯拉)。头颅组织的相对磁导率接近1，所以磁场可以穿过头皮颅骨等外层组织达到脑实质。依据法拉第电磁感应定律，脑实质处变化的磁场会感生出电场，进而在脑组织中感生出电流，感应电流会对神经组织产生刺激作用。
[0003]依照目前神经科学的研究，TMS的作用机制是利用感应电流改变神经细胞的膜电位使其超过其兴奋阈值，使得局部大脑神经细胞去极化引起兴奋性动作电位从而产生一系列生理生化反应。
[0004]重复经颅磁刺激(rTMS)是在某一特定皮质部位给予重复刺激的过程。临床研究表明重复连续有规律的刺激能够产生积累效应，可以兴奋更多水平的神经元，不仅影响刺激局部和功能相关的远隔区域的大脑功能，实现皮质功能区域性重建，而且产生生物学效应可持续到刺激停止后一段时间，产生长时程效应，因此rTMS成为研究神经功能重建的良好工具。
[0005]虽然经颅磁刺激技术发展迅速，但是其未解决两个矛盾性问题。
[0006]其一:将经颅磁刺激技术应用于精神疾病的诊断和治疗需要考虑刺激目标的选择，某些精神疾病的病灶位于下丘脑等深层脑组织，由于电磁场的空间分布的衰减特性，当实现对深层脑组织的兴奋刺激时，浅层脑组织的刺激强度大大超过安全阈值。因此经颅磁刺激技术对于实现深度刺激与保证安全阈值问题上存在激烈的矛盾。
[0007]其二:应用经颅磁刺激技术刺激深度中枢神经组织时需要考虑刺激的聚焦效果，也即刺激定位的准确程度。我们仿真研究发现当刺激深度增加时，刺激能量需相应增加这样会导致刺激的聚焦效果变差，也即刺激的聚焦效果与刺激的深度是相互制约的。
[0008]弱磁刺激可以在中枢神经系统感生出弱电场，已有研究表明弱电场可以通过阈下刺激实现对神经活动的调节，这种作用机制是通过改变膜电位对自发极化和诱发活动产生持续影响，这样会对单神经元的放电时刻产生小的扰动，这样的扰动在神经网络中会通过共振抑或累积效应等被放大，从而对神经网络的编码机制产生影响，进一步调控神经网络的功能。
[0009]目前市场上的大多数经颅磁刺激装置的刺激源都是单线圈或8字线圈，单一形状的刺激源不能实现刺激分布的调节，因此不可能解决前文所述的其二矛盾。许多研究均试图利用多通道线圈实现刺激的优化，往往局限于单一平面阵列或者帽式阵列，单一平面阵列对于实现刺激分布全方位立体式的优化存在局限性，帽式阵列对于适应被测者外观的差异性，缺少必要空间调节自由度。
【发明内容】
[0010]针对上述技术中存在的不足，本发明提供了一种多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，其目的之一:在实现对深层中枢神经刺激的同时保证浅层脑组织的刺激强度满足安全阈值；其目的之二是实现多样的刺激形式、实现对刺激分布的优化；其目的之三是能实现刺激源对被试者外观差异性的适应性调整。
[0011]本发明所提出的一种多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统，其中:该系统包括有PC监控平台、单线圈电流控制系统、多线圈组合控制系统以及多平面线圈阵列刺激源，PC监控平台与单线圈电流控制系统以及多线圈组合控制系统相互连接，单线圈电流控制系统和多线圈组合控制系统分别与多平面线圈阵列刺激源相互连接。所述PC监控平台接收单线圈电流控制系统的电流信息，接受多线圈组合控制系统的磁场信息，通过PC监控平台进行显示；所述多平面线圈阵列刺激源接收多线圈组合控制系统以及单线圈电流控制系统输入的激励电流按照电磁感应原理对目标产生刺激。
[0012]本发明的效果是解决了传统经颅磁刺激以及重复经颅磁刺激所表现的矛盾性问题。本发明提供的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统可以消除刺激过程中被试者和受试者对刺激安全性的担忧，同时本系统能够针对不同被试者以及不同刺激目标优化设计并实现最优的刺激分布。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统的结构图；
[0014]图2为本发明的单线圈电流控制部分的系统框图；
[0015]图3为本发明的多线圈组合控制部分的系统框图；
[0016]图4为本发明的多平面线圈阵列刺激源外观示意图；
[0017]图5为本发明的可调节线圈平面的外观示意图；
[0018]图6为本发明PC监控平台功能示意图；
[0019]图7-1、图7-2、图7-3、图7-4为四种多线圈阵列刺激源形式举例；
[0020]图8为本发明的线圈组合刺激的示意图。
[0021]图中:
[0022]1、全系统结构2、单线圈电流控制系统3、多线圈组合控制系统4、多平面线圈阵列刺激源5、PC监控平台6、微控制器7、线圈供电主电路8、半导体电力开关9、单线圈 10、电流传感器 11、现场总线12、磁场探测器 13、多个独立的单线圈电流控制单元14、PC协调控制部分15、万向结构16、线圈平面17、线圈阵列18、监视界面19、操作界面20、文件存储21、在线仿真22、四个圆形线圈23、近似方形线圈24、三个近似方形线圈25、异形线圈
【具体实施方式】
[0023]结合附图对本发明的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统结构加以说明。
[0024]本发明的多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统主要由单线圈电流控制系统2、多线圈组合控制系统3、多平面线圈阵列刺激源4以及PC监控平台5五部分组成。本发明所提出的多平面阵列中枢神经弱磁刺激系统的设计思想是:其一本发明利用弱磁刺激代替强磁刺激，对目标的刺激强度没有极化阈值的要求，从而可以保证对深层组织刺激时浅层组织的刺激强度能满足安全阈值。依据【背景技术】所述弱磁刺激的刺激原理，可知刺激频率是弱磁刺激实现刺激功能的关键。针对刺激频率的问题，本发明利用单线圈电流控制系统2可以实现对单线圈电流波形的闭环调节，可以准确设定线圈激励电流的脉冲频率和波形。其二本发明利用多平面线圈阵列刺激源4与多线圈组合控制系统3可实现不同空间位置的线圈的选通组合，不同形式的线圈组合对于刺激目标产生不同刺激模式，同时多线圈组合控制系统3引入了以刺激目标磁场强度为反馈变量的闭环控制，可以实现对磁场分布的优化也就可以实现对感应电场即刺激分布的优化。其三本发明中的多平面线圈阵列刺激源4为多自由度可调节的刺激源，可以针对不同外观尺寸的刺激目标实现线圈平面与其相对位置参数的灵活调节。
[0025]图1所示多平面线圈阵列中枢神经弱磁刺激系统的全系统结构I主要包括4个部分，PC监控平台5、单线圈电流控制系统2、多线圈组合控制系统3、多平面线圈阵列刺激源4。PC监控平台5与单线圈电流控制系统2以及多线圈组合控制系统3相互连接，单线圈电流控制系统2和多线圈组合控制系统3分别与多平面线圈阵列刺激源4相互连接。PC监控平台5接收单线圈电流控制系统2的电流信息以及多线圈组合控制系统3的磁场信息，单线圈电流控制系统2与多线圈组合控制系统3接收PC监控平台5的指令信息。多平面线圈阵列刺激源接受多线圈组合控制系统2以及单线圈电流控制系统3的激励电流。
[0026]图2所示为单线圈电流控制系统2的系统框图，微控制器6综合期望的电流波形以及电流传感器10的反馈数据来对单线圈供电主电路7进行控制。其具体过程为:微控制器6根据期望值与反馈值的差异，设定输出PWM控制脉冲，PWM控制脉冲驱动半导体电力开关8实现对单线圈9两端电压的调节，单线圈9的等效电路t吴型为RL串联t吴型，控制其两端电压便能实现对其电流变化的控制。
[0027]图3所示为多线圈组合控制系统3的系统框图，每个线圈作为独立的电流调节单元，也即每个线圈占有一个微控制器。实现多线圈组合控制需要协调多个微控制器的控制过程，而且多线圈的组合调节也需要目标磁场强度作为控制变量实现对其的闭环控制。PC监控平台5中包含PC协调控制部分14，其与多个独立的单线圈电流控制单元13通过现场总线11实现