一种新型双通道经颅磁刺激线圈阵列单元

1.本实用新型涉及电子通信与脑学科中的经颅磁技术领域，尤其涉及一种新型双通道经颅磁刺激线圈阵列单元。


背景技术：

2.经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation，tms)技术是一种无痛、无创、相对安全的神经调节技术，通过给线圈通入脉冲电流产生的时变磁场，透过颅脑结构外部组织，直接刺激神经细胞，以达到神经调控的目的。目前广泛应用于神经类疾病、精神类疾病的临床诊断与治疗，以及脑科学与认知科学领域中的探索性研究。tms刺激效果由诸多方面共同影响，磁场发生器提供的脉冲形状、振幅等，线圈的结构、方向、位置、电流和频率等都会影响tms的刺激性能。其中线圈的结构是tms研究的重点，也是影响刺激效果的主要因素。
3.现有的经颅磁线圈结构为单线圈、多通道线圈、阵列线圈。
4.1.现有的单线圈结构较多。已经商用的有圆形线圈、八字形线圈，它们临床应用时间长、安全性高，缺点是刺激深度和聚焦性较差。针对传统线圈刺激深度浅的缺点，实用新型了双锥形线圈(li,y.,et al.,comparative study of a new coil design with traditional shielded figure-of-eight coil for transcranial magnetic stimulation.ieee transactions on magnetics,2018.54(3):p.1-4)和h线圈(fiocchi,s.,et al.deep transcranial magnetic stimulation for the treatment of neuropsychiatric disorders in elderly people:electric field assessment.international conference on electromagnetics in advanced applications.2015:448-451)，具有更小的深部电场衰减率，但是聚焦性较差，属于深部刺激线圈。(cobos s
á
nchez,c.,et al.,an inverse boundary element method computational framework for designing optimal tms coils.engineering analysis with boundary elements,2018.88:p.156-169)提出了逆边界元的算法优化了双锥形线圈的结构，使它的刺激效率更高。但现有的商用经颅磁线圈多为单通道线圈，线圈通电后的对应靶点固定无法改变。
5.2.为了融合各个线圈的优点，(koponen,l.m.,j.o.nieminen and r.j.ilmoniemi,multi-locus transcranial magnetic stimulation—theory and implementation.brain stimulation,2018.11(4):p.849-855.)提出了一种多通道线圈。该线圈由五个结构不同的单线圈组合成多通道线圈，通过调节各个通道激励电流的大小和方向，实现对大脑不同部分不同程度的刺激。但多通道经颅磁线圈设计较为复杂，虽然它达到了电子控制靶点位置的目的，但常常是三个以上不同线圈的叠加，不适合商业化。
6.3.现有的线圈阵列单元多为简单的圆形线圈。阵列线圈的主要研究方向是线圈和算法联合仿真，计算出刺激性能最优的阵列线圈电流方案。线圈阵列基于磁场矢量叠加原理设计，由多个小尺寸线圈组成，每个单元线圈由独立的磁场发生器驱动，可实现多种刺激
模式。但现有阵列线圈单元还是最基础的圆形线圈，主要通过算法优化改变其性能，没有针对性的设计线圈结构。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种新型双通道经颅磁刺激线圈阵列单元，通过设置上下两层线圈的方式，能够达到电子控制电场方向的目的，有较好的聚焦性，结构简单，且方便加工。
8.为了实现本发明目的，本实用新型提供的一种新型双通道经颅磁刺激线圈阵列单元，包括上层线圈和下层线圈，上层线圈包括位于顶部的上层顶部线圈单元和设置在顶部线圈单元底部的上层线圈中部单元，下层线圈包括位于顶部的下层顶部线圈单元和设置在下层顶部线圈单元底部的下层线圈中部单元，下层顶部线圈单元和上层线圈中部单元之间呈度交错。优选地，下层顶部线圈单元和上层线圈中部单元之间呈十字形排布。
9.通过采用上述结构的双通道经颅磁刺激线圈阵列单元，通过设置上层线圈和下层线圈，从而可以改变激励来控制线圈四周的电场强度方向，上层线圈和下层线圈均为下凸式结构，如此可以减少焦点之外电场强度，提升刺激深度，降低大脑刺激度，具备良好的刺激性和聚焦性。
10.对本实用新型的进一步改进，上层顶部线圈单元的截面形状呈方形，上层线圈中部单元的截面形状呈u形。
11.对本实用新型的进一步改进，下层顶部线圈单元的截面形状呈方形，下层线圈中部单元的截面形状呈u形。
12.对本实用新型的进一步改进，上层线圈的材质为铜。
13.对本实用新型的进一步改进，下层线圈的材质为铜。
14.对本实用新型的进一步改进，上层线圈为多匝结构。
15.对本实用新型的进一步改进，下层线圈为多匝结构。
16.对本实用新型的进一步改进，上层线圈的匝数多于下层线圈的匝数，且上层线圈和下层线圈之间的间距可调。如此设置，能够使得上层线圈和下层线圈的刺激强度保持一致。
17.进一步地，上层线圈的匝数为7匝，下层线圈的匝数为5匝。
18.进一步地，采用所述线圈阵列单元组成线圈。
19.与现有技术相比，本实用新型能够实现的有益效果至少如下：
20.1、本实用新型所提供的双通道经颅磁刺激线圈阵列单元具备良好的聚焦性能。
21.2、本实用新型基于八字形线圈结构设计了单元基础结构，保留了八字形线圈聚焦性好的优点，同时能够减少对大脑皮层的刺激。
22.3、本实用新型设计了具备双层结构的双通道经颅磁刺激线圈，能够通过改变激励来控制线圈四周的电场强度方向，实现电场方向360
°
可调。
23.4、本实用新型通过对线圈的性能研究，基于八字形线圈的良好性能，在此基础上，由原本的圆形设计结构改为方形设计结构。
24.5、本实用新型提供的线圈将焦点处设计成下凸式结构，能够减少焦点之外电场强度，提升刺激深度，降低大脑刺激度，便于组成双层结构。
25.6、本实用新型基于电磁场的叠加原理设计了双层双通道经颅磁刺激线圈阵列单元，可以通过改变激励来控制线圈四周的电场强度方向，且不改变电场的分布结构，具备良好的刺激性和聚焦性。
附图说明
26.为了更清楚地说明发明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
27.图1是本实用新型实施例提供的一种双通道经颅磁刺激线圈阵列单元的结构示意图。
28.图2是本实用新型实施例中提供的上层线圈的俯视图。
29.图3是本实用新型实施例中提供的上层线圈的主视图。
30.图4是本实用新型实施例中提供的上层线圈的左视图。
31.图5是本实用新型实施例提供的一种双通道经颅磁刺激线圈阵列单元的俯视图。
32.图6是本实用新型实施例提供的一种双通道经颅磁刺激线圈阵列单元的主视图。
33.图7是本实用新型实施例提供的一种双通道经颅磁刺激线圈阵列单元的侧视图。
34.图8是本实用新型实施例中单通道仿真结果图。
35.图9是本实用新型实施例中双通道仿真结果示意图。
36.图10是本实用新型实施例中调控电场方向的示例图。
37.图11是本实用新型实施例中尺寸变化后仿真结果的示意图。
38.图中，上层线圈1，上层顶部线圈单元11，上层线圈中部单元12；下层线圈2，下层顶部线圈单元21，下层线圈中部单元22。
具体实施方式
39.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本实用新型保护的范围。
40.另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本实用新型，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
41.本实用新型提供的新型双通道经颅磁刺激线圈阵列单元，在八字形经颅磁刺激线圈的基础上进行的改进，线圈阵列单元的整体结构请参阅图1-图7，该线圈基础结构考虑到
双通道“十”字型的设计结构，由原本八字形线圈的圆形设计结构改为方形结构，俯视图如图2所示。同时，为了加强线圈聚焦性和刺激深度，降低大脑皮层的刺激强度，减少大脑损伤，将线圈中部结构设计成下凸式结构，如图3、4所示。该下凸式线圈单元结构在兼顾八字形线圈良好聚焦性的基础上大大加强刺激深度，它的电场分布仿真结果如图8，以实现对大脑的深部刺激，本实用新型可广泛应用于医疗设备技术领域。
42.在本实用新型其中一些实施例中，上层线圈1的底部边长为50mm、高度为20mm，如图2、图3所示。
43.在本实用新型其中一些实施例中，线圈阵列单元的材质为铜，电导率为5.8
×
107s/m。铜材料的选择保证了线圈阵列单元在通入高频和幅值较大的电流时，载流能力不受影响。
44.本实用新型设计的线圈阵列单元为双层结构，通过控制每个通道的激励大小和方向调整线圈四周的电场强度分布，包括上层线圈1和下层线圈2，下层线圈2位于上层线圈1下方，且上层线圈1和下层线圈2之间交错重合成双层“十字”结构，上下层线圈结构不相连，如图1所示。根据电磁场的叠加原理，可以通过改变两个通道的激励组合，使电场方向360度任意旋转。
45.具体的，上层线圈1包括位于顶部的上层顶部线圈单元11和两端与上层顶部线圈单元11连接且位于上层顶部线圈单元11底部的上层线圈中部单元12，下层线圈2包括位于顶部的下层顶部线圈单元21和两端与下层顶部线圈单元21连接且位于下层顶部线圈单元21底部的下层线圈中部单元22，下层顶部线圈单元21和上层线圈中部单元12之间呈90度交错，优选地上层线圈中部单元12和下层线圈中部单元22呈十字形排布。上层顶部线圈单元11位于下层顶部线圈单元21上方，上层线圈中部单元12和下层线圈中部单元22之间留有间隙。
46.在本实用新型其中的一些实施例中，由于采用了双层结构，双通道经颅磁刺激线圈阵列单元的俯视图如图5，上层线圈1距离刺激点位较远，相应轴向刺激强度会低于下层线圈2对应轴向刺激。为了解决这个问题，增加了上层线圈1的匝数，在上层线圈1匝数多于下层线圈2的条件下，通过调整上层线圈1和下层线圈2的间距来达到刺激的一致性。调整层间距，保证上层线圈1和下层线圈2对大脑皮层顶部中心点刺激强度一致后，发现上层线圈1的轴向刺激强度大于下层线圈2。为了解决该问题，本实用新型缩短了上层线圈的中部结构的宽度(即上层线圈中部单元12的宽度小于下层线圈中部单元22的宽度)，如图6、7所示。本实用新型保证了上层线圈1和下层线圈2在焦点位置的刺激一致性和轴向上的刺激强度一致性，从而保证线圈周围的电场分布不变，改变激励组合只是改变电场方向和大小。
47.在本实用新型其中一些实施例中，上层线圈1的匝数为7匝，下层线圈的匝数为5匝，可以理解的是，在其他实施例中，也可以设置成其他数值。
48.在本实用新型其中一些实施例中，使用仿真软件sim4life对设计的线圈性能进行验证，为了加快仿真速度以及方便比较性能，以球形模型代替人脑，假设各向同性，使用sim4life自带的人体数据库给球头模型设置电磁特性。给上层通道添加激励，激励大小设定为3ka，频率为3khz，仿真结果如图8所示，电场分布类似于八字形线圈。为了使结果更加清晰后续仿真图不显示线圈，且上层线圈以通道
①
代称，下层线圈以通道
②
代称，如图8所示。给通道
①
、
②
都通入相同大小的激励，激励大小设定为3ka，频率为3khz；其中，通道
①
激
励方向不变，通道
②
通入正反方向的激励，仿真结果如图9，从结果可以看出，电场焦点在线圈中心，电场相较于单通道倾斜45
°
左右，刺激效果与单通道类似。为了验证双通道的调控性能，给通道
①
通入3ka的激励，改变通道
②
的激励大小，频率都为3khz，仿真结果如图10所示，从结果可以看出，电场焦点仍然在线圈中心，电场相较于单通道分别倾斜30
°
左右(图10a、b)和60
°
左右(图10c、d)。从仿真结果来看，本实用新型线圈能实现电场方向的360
°
任意旋转，且不改变电场分布。
49.本实用新型实施例提供的线圈阵列单元能够达到电子控制电场方向的目的，有很好的聚焦性和刺激性，结构简单，方便加工。
50.本实用新型设计的线圈可以作为双通道线圈使用，也可以缩小尺寸作为线圈阵列单元，等比例放大和缩小线圈不改变线圈周围的电场分布，也就不影响线圈的刺激性能。将线圈等比例放大一倍，给双通道都通入相同大小的激励，激励大小设定为3ka，频率为3khz，仿真结果如图11所示。仿真结果与图9相比，线圈周围的电场分布基本一致，说明尺寸变化不影响线圈功能。本实用新型作为双通道线圈的优点是电场方向360
°
可调，作为阵列单元的优点是组成阵列后可以配上算法刺激任意点位。
51.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。