一种用于经颅磁刺激的反向线圈及其设计方法与流程

本发明属于经颅磁刺激领域，特别涉及一种提高八字形线圈聚焦性的同时可以减弱头皮处电场强度的反向线圈的设计。

背景技术

经颅磁刺激(transcranialmagneticstimulation，tms)是一种无创无痛的绿色治疗技术。放置在头部上方的刺激线圈产生变化的磁场，通过电磁感应，变化的磁场产生感应电场，刺激大脑神经以达到治疗目的。在经颅磁刺激中，为准确进行刺激，线圈产生的电磁场强度、刺激深度和聚焦性都需要达到一定的要求。

相比于圆形线圈，八字形线圈的聚焦性有所提高，但刺激范围较大，针对性不强，不能实现很好的聚焦。中国发明专利“双8字形经颅磁刺激线圈”(申请号：201210210607.3)涉及一种双八字形结构的经颅磁刺激线圈，通过在传统八字形线圈内增加一对更小半径的八字形线圈，提高了传统八字形线圈的聚焦性。中国发明专利“用于深部位经颅磁刺激的多层偏心8字形线圈”(申请号：201510398375.2)采用多层布置线圈，第一层为基础八字形线圈，下面各层线圈沿八字形线圈中心线对称分布，用于调节磁场和感应电场达到良好的聚焦度。中国发明专利“一种用于经颅磁刺激的四线圈结构及其应用”(申请号：201710817412.8)涉及一种四线圈经颅磁刺激发明装置，该发明可以对人脑的多个部位的磁刺激焦点同时刺激，满足复杂的刺激需要。

上述专利采用不同刺激线圈提高聚焦性，在临床应用中，当刺激线圈中电流较大时头皮处将产生较大的电磁场强度，不同程度地使患者头皮处产生不适。因此，保证线圈具有更好聚焦性的同时，也需要减小头皮处的电场强度。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种称作反向线圈的新型经颅磁刺激线圈。基于八字形线圈，在其上方增加反向线圈，可以提高八字形线圈的聚焦性，同时减小头皮处电场强度，增加八字形线圈的刺激深度。

本发明采用如下技术方案：

用于经颅磁刺激的反向线圈置于八字形线圈上方，由两个圆形线圈组成，且反向线圈的夹角和高度可变。

反向线圈左侧圆形线圈电流为顺时针方向，右侧圆形线圈电流为逆时针方向。八字形线圈左侧圆形线圈电流为逆时针方向，右侧圆形线圈电流为顺时针方向。即反向线圈的两圆形线圈电流方向与八字形线圈同侧的圆形线圈电流方向相反。

反向线圈的两圆形线圈相交点距离头部最上方的高度为20-55mm，间隔5mm。

当反向线圈距离头部上方的高度为40-55mm时，反向线圈的两圆形线圈之间的夹角范围为90°-180°；反向线圈高度为30-35mm时，两圆形线圈之间的夹角范围为120°-180°；当反向线圈高度为20-25mm时，两圆形线圈之间的夹角范围为150°-180°。

反向线圈有如下四种尺寸：(1)内直径为15mm，外直径为46mm；(2)内直径为25mm，外直径为56mm；(3)线圈的内直径为35mm，外直径为66mm；(4)线圈的内直径为45mm，外直径为76mm。

反向线圈下方的八字形线圈位于头部上方5mm，其内直径为56mm，外直径为87mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：反向线圈每一侧圆形线圈的电流方向与同侧八字形线圈圆形线圈电流方向相反，使反向线圈产生的电场强度与八字形线圈产生的电场强度方向相反，由于反向线圈始终在八字形线圈上方，通过改变反向线圈的高度，可以不同程度地减少头皮处的电场强度，并且改变线圈的刺激深度。同时通过改变反向线圈的夹角，可以改变线圈的聚焦性。因此，反向线圈选择合适的高度和角度可以同时达到减弱头皮处的电场强度、增大刺激深度和提高线圈聚焦性的效果。

附图说明

图1为反向线圈和八字形线圈模型示意图。

图2为反向线圈、八字形线圈和真实头部模型示意图。α表示反向线圈两圆形线圈之间的夹角，h表示反向线圈两圆形线圈的交点距离头部上方的高度。

图3为不同高度和角度的反向线圈头皮处电场减少率的柱状图。

图4为不同高度和角度的反向线圈刺激深度与头皮处电场减少率的关系图。

图5为不同高度和角度的反向线圈聚焦面积与头皮处电场减少率的关系图。

图6为八字形线圈(a)及不同尺寸的反向线圈(b)-(c)(平均直径分别为30mm，40mm，50mm和60mm)头皮处电场强度分布图。以归一化的八字形线圈电场强度作为标准。

图7为八字形线圈及不同尺寸反向线圈的刺激深度、聚焦面积和头皮处电场减少率三维散点图。

具体实施方式

结合附图对本发明的经颅磁刺激反向线圈做进一步详细描述。

本发明采用的八字形线圈为magstim公司type9925，线圈内外直径分别为56mm和87mm，位于头部上方5mm。反向线圈内外直径分别为25mm和56mm。八字形线圈和反向线圈绕组由铜线绕制而成，其横截面积为6mm×1.75mm，线圈匝数为9匝。

八字形线圈和反向线圈结构及电流方向示意图如图1所示。反向线圈由两个圆形线圈组成，其夹角和高度可变。反向线圈位于八字形线圈上方，空间上与八字形线圈中心重合。反向线圈左侧圆形线圈电流为顺时针方向，右侧圆形线圈电流为逆时针方向。八字形线圈左侧圆形线圈电流为逆时针方向，右侧圆形线圈电流为顺时针方向。即同侧的圆形线圈电流方向相反。

图2为反向线圈、八字形线圈和真实头部模型示意图。α表示反向线圈两圆形线圈之间的夹角，h表示反向线圈两圆形线圈的交点距离头部上方的高度。图2所示的反向线圈高度为55mm，夹角为120°。本发明中反向线圈的高度范围为20-55mm，间隔5mm。当反向线圈高度为40-55mm时，反向线圈夹角范围为90°-180°。当反向线圈高度为30mm-35mm时，反向线圈夹角范围为120°-180°。当高度为20mm-25mm时，反向线圈夹角范围为150°-180°。

为得到反向线圈的最佳高度和角度，实施方式为：反向线圈内直径25mm，外直径56mm恒定不变，对不同高度和角度的反向线圈进行仿真，分析比较各个反向线圈头皮处电场减少率、刺激深度和聚焦性能，制定评价标准进行综合评价，得出反向线圈的最佳高度和最佳角度。为比较各个反向线圈产生的电场强度对头皮处减少作用的强弱，定义头皮处电场强度减少率为：

其中e8max表示八字形线圈在头皮处产生的电场强度的最大值，ermax表示反向线圈和八字形线圈在头皮处产生的电场强度的最大值。反向线圈在头皮处产生的电场强度越小，β值越大，说明反向线圈比八字形线圈对头皮处电场强度减少越多，反向线圈对头皮处的电场强度减少作用越好。不同高度和角度反向线圈头皮处电场强度减少率如图3所示。从该柱状图可以看出，反向线圈的高度越小，头皮处电场强度减少率越大。在高度相同时，反向线圈夹角越小，头皮处电场减少率越大。由此可得反向线圈的减少率与反向线圈的高度成反比，与反向线圈的夹角大小成正比。

图4为各个反向线圈刺激深度与头皮处电场强度减少率之间的关系。定义从头皮表面电场最大值到电场强度下降到最大值一半的距离为刺激深度depth(e＝emax/2)。不同的点表示不同高度和角度的反向线圈。由图4可知反向线圈的刺激深度与头皮处电场减少率成正比，即头皮处电场强度减少率大的反向线圈刺激深度大，说明反向线圈的衰减作用好。

图5为聚焦面积与头皮处电场强度减少率之间的关系。聚焦面积定义为电场强度超过头皮处最大值一半的面积。不同的点表示不同高度和角度的反向线圈。由图5可知反向线圈聚焦面积与头皮处电场强度减少率成正比，说明反向线圈的聚焦性与头皮处电场减少率成反比，即反向线圈对头皮处的电场强度减少率越大，线圈的聚焦面积越大，线圈的聚焦性越差，从而说明线圈的刺激深度和聚焦性难以达到一致效果。

为选出最佳高度和角度的反向线圈，使其能够同时有较好的聚焦性、刺激深度和较高的头皮处减少率，建立如下评价标准：(1)反向线圈的减少率在15％以上；(2)反向线圈的刺激深度大于八字形线圈的刺激深度；(3)反向线圈的聚焦面积小于八字形线圈聚焦面积的2倍。满足全部三个条件的反向线圈有五种，它们的高度和角度分别为：(1)h＝20mm，α＝180°；(2)h＝25mm，α＝180°；(3)h＝30mm，α＝150°；(4)h＝35mm，α＝150°；(5)h＝35mm，α＝120°。当将第三个条件缩小为反向线圈的聚焦面积小于八字形线圈聚焦面积的1.5倍，满足条件的反向线圈的高度和角度为h＝30mm，α＝150°。从而得到反向线圈的最佳高度为30mm，最佳夹角为150°。

在反向线圈的高度和角度为最佳条件下得出反向线圈的最佳尺寸。实施方式为：建立三种新的反向线圈：(1)内直径为15mm，外直径为46mm；(2)内直径为35mm，外直径为66mm；(3)内直径为45mm，外直径为76mm。上述分析中的反向线圈内直径为25mm，外直径为56mm。本发明中的八字形线圈为magstim公司提出的type9925型线圈。其内直径为56mm，外直径为87mm。分别对上述五种线圈进行分析比较。五种线圈模型在头皮处的电场强度分布结果如图6所示。以八字形线圈归一化的电场强度值为标准。由图6可知刺激线圈为八字形线圈时头皮处电场强度最大，增加反向线圈后，反向线圈直径越大，头皮处电场强度越小，对头皮处的衰减作用越大。

图7所示为不同线圈的刺激深度、聚焦面积和头皮处电场强度减少率的三维散点图。不同的点表示八字形线圈及不同尺寸的反向线圈。r表示各个反向线圈的平均直径。内直径为15mm，外直径为46mm的反向线圈，其平均直径为30mm，记做r＝30mm。同理，内直径为25mm，外直径为56mm；内直径为35mm，外直径为66mm和内直径为45mm，外直径为76mm的反向线圈，其平均直径分别为40mm，50mm和60mm，因此分别记做r＝40mm，r＝50mm和r＝60mm。图中每个点代表的三个坐标值分别为刺激深度，聚焦面积和头皮处的电场减少率。随着反向线圈的尺寸增大，聚焦面积逐渐减小，说明线圈尺寸的增加可以有效地提高线圈的聚焦性。当反向线圈的平均直径为60mm时，与其他尺寸反向线圈相比，其头皮处电场强度减少率最大，刺激深度与八字形线圈刺激深度接近，聚焦面积达到最小，可见其综合性能最好。由于受到反向线圈的高度和角度的约束，反向线圈的尺寸已不能再增大，因此平均直径为60mm，即内直径为45mm，外直径为76mm为反向线圈的最佳尺寸。

通过上述分析比较，最终得出当反向线圈的高度为30mm，夹角为150°，内直径为45mm，外直径为76mm时，其聚焦面积达到最小，是八字形线圈聚焦面积的68.7％，头皮处的电场强度减少率最大，为34.55％，刺激深度为比八字形线圈刺激深度增大1.6％，该反向线圈的综合性能最佳。