基于磁谐振耦合式正交八字形线圈组的经颅磁刺激系统的制作方法

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有tms技术存在的不足，本发明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，本发明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。

本发明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为本发明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发明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发明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发明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发明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发明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

结合附图对本发明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。

本发明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所示为本发明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，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，在仪器的设计使用中将线圈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。

所述第一线圈单元a、第二线圈单元b、第三线圈单元c和第四线圈单元d中的第一源线圈1、第一谐振线圈2，第二源线圈3、第二谐振线圈4，第三源线圈5、第三谐振线圈6，第四源线圈7、第四谐振线圈8所在的电路单元，各电路参数使每个电路单元都构成谐振电路。工作运行时，这四个线圈单元所在的电路部分同时发生谐振，并且谐振频率为交流电源ac的供电频率ω0，与此同时源线圈和谐振线圈均能够获得最大电流值，谐振电路中无功功率损耗为零。另外，所述第一线圈单元a和第二线圈单元b、第三线圈单元c和第四线圈单元d描述的两单谐振线圈分别都置于同一平面内，各切点交汇处为刺激靶点。

本发明提出的正交八字形线圈组经颅磁刺激系统依赖于磁谐振耦合原理。八字形线圈ⅰ和ⅱ构成了基于磁谐振耦合原理的正交八字形结构线圈组经颅磁刺激系统的整体电路，第一源线圈1与第一谐振线圈2、第二源线圈3与第二谐振线圈4、第三源线圈5与第三谐振线圈6以及第四源线圈7与第四谐振线圈8之间都是通过电磁感应的原理实现电能的传递。

通过设计电路拓扑第一线圈单元a中第一源线圈1、第一谐振线圈2的电路参数，使每个电路单元都构成谐振电路，满足谐振特性，即

第二线圈单元b、第三线圈单元c以及第四线圈单元d中，电路拓扑的参数

与a中参数设计相同，可得

对于第二线圈单元b，有

对于第三线圈单元c，有

对于第四线圈单元d，有

因此，各个电路单元在工作过程中同时发生谐振，其谐振频率为交流电源ac的供电频率ω0。与此同时源线圈、谐振线圈都可以获得最大电流值，谐振电路中无功功率消耗为零，这样有益于提高刺激效率。

以第一线圈单元a为例，说明新型线圈拓扑结构。第一线圈单元a中，第一源线圈1、第一谐振线圈为同轴排列，并且第一源线圈1与第一谐振线圈2位于空间同一平面内，这种空间结构使得第一源线圈1与第一谐振线圈2的耦合系数较其它排列结构的耦合系数大，第一谐振线圈2与第一源线圈1的强耦合关系，保证了第一谐振线圈2通过电磁感应从第一源线圈1获得较高的能量。

图2-1、图2-2分别是传统正交八字形线圈组和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2-2中的线圈1-8分别对应于图1中a、b、c、d四个线圈单元中的源线圈、谐振线圈。由图2-2可以清楚地看出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排列形式。

图3-1-1、图3-1-2分别描述了在传统正交八字形线圈组和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刺激下，在距离头皮表面4mm的深度处，头颅内部磁感应强度的聚焦情况。其中，图3-1-3是磁感应强度的大小比例。由图3-1-1、图3-1-2可以知道，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相比传统正交八字形线圈组，刺激更加集中，聚焦度更高，且刺激强度更大。

图4-1、图4-2分别描述了在传统正交八字形线圈组和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刺激下，头颅模型表层磁感应强度和感应电流密度的分布对比情况。图4-1、图4-2中，传统正交八字形线圈组和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刺激下的磁感应强度和电流密度峰值均出现在与线圈切点距离最短的靶位点上。从图4-1、图4-2中可以看到，传统正交八字形线圈组和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刺激下所得到的磁感应强度的峰值分别是0.1868mt、0.7544mt；感应电流密度峰值分别是1.291ma/m²、5.951ma/m²，即本发明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与传统正交八字形线圈组相比，局部刺激强度能够提高近3.6倍。

图5所示为传统正交八字形线圈组和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能量利用效率与局部刺激强度对比图。由图中数据可以看出，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与传统正交八字形线圈组相比，局部刺激强度提高近3.6倍，能量利用效率提高超过3倍。