用于颅脑深度聚焦刺激的时域干涉特征刺激阵列及系统

本发明属于颅脑电磁刺激，具体涉及一种用于颅脑深度聚焦刺激的时域干涉特征刺激阵列及系统。

背景技术：

1、随着现代生活压力的不断增大，抑郁症等精神类疾病发病率逐渐升高，经颅磁刺激作为一种无创和无需手术的新型神经调控方法，被广泛应用于神经科学研究以及精神疾病的临床治疗中。刺激线圈的几何结构直接影响到颅内感应电场空间分布，因此刺激线圈结构设计是磁刺激装置优化设计的重要环节。

2、磁刺激仪的核心部件包括电源系统以及特定的刺激线圈。电磁能量转换是经颅磁刺激技术的作用基础。在治疗过程中，磁刺激仪器经放电电路产生所需特定幅值和频率的脉冲电流，当电流通入刺激线圈时，刺激线圈在周围的空间中产生时变的感应磁场，该磁场在头部目标区产生感应电场，该感应电场加载在神经元膜两侧，影响神经元膜电位，继而产生神经调控的效果。

3、传统刺激线圈多为单圆形，可用于皮质区兴奋性的调节，但由于头部结构复杂以及生物组织电导率和磁导率偏低，使得感应电场只能作用在头部浅层区域，随着刺激深度增加，刺激线圈在颅内产生的感应电场快速衰减，聚焦面积也逐渐增大，很难对颅脑深部进行聚焦刺激。另外，过大的聚焦面积会导致非目标靶区的神经膜电位改变，存在诱发副作用的风险。

4、随着颅脑深部刺激研究进程的逐步推进，越来越多的研究人员提出了以双锥形线圈和halo线圈为代表的深脑线圈几何结构，其中，双锥形线圈是以八字形线圈为基础的改良设计，有利于优化刺激深度，但是随着刺激深度的增加，聚焦性能变差，产生副作用的概率也随之提升；而halo线圈是一种环绕头部放置的大尺寸单圆形线圈，当与其他线圈组合使用时，可对颅脑深处进行刺激，减弱对头部浅层的刺激，但是未考虑刺激聚焦性的改善，也存在增加刺激副作用的风险。

5、综上，如何提供一种能够有效优化深度刺激性能的新型经颅磁刺激线圈结构，以便对临床应用及科学研究产生重要意义，是本领域技术人员亟需研究的课题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于颅脑深度聚焦刺激的时域干涉特征刺激阵列及系统，用以解决现有经颅磁刺激线圈结构无法兼顾刺激深度和刺激聚焦性的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，提供了一种用于颅脑深度聚焦刺激的时域干涉特征刺激阵列，包括有用于布置在人体头部周围的且具有相同几何参数的多组差频刺激对，其中，所述差频刺激对包含有以人体头部中心轴为对称轴进行对称布置的且具有相同几何参数的第一多参数型特征线圈和第二多参数型特征线圈；

4、所述第一多参数型特征线圈和所述第二多参数型特征线圈均采用多层多匝线圈结构，其中，所述多层多匝线圈结构包括有多层平行的且具有相同几何参数的平面绕制型多匝线圈，所述平面绕制型多匝线圈是指在平面内绕线而得的多匝线圈，所述平面绕制型多匝线圈的线圈内侧一端和线圈外侧一端分别互为脉冲电流引入端和脉冲电流引出端；

5、所述平面绕制型多匝线圈的每匝线圈均由四分之一椭圆段和缺斜边的直角梯形段组成，其中，所述平面绕制型多匝线圈的最外侧一匝线圈的四分之一椭圆段用于在布置于人体头部周围时与人体头部相切；

6、在所述时域干涉特征刺激阵列工作时，向所述第一多参数型特征线圈输入第一脉冲电流，以及向所述第二多参数型特征线圈输入第二脉冲电流，其中，所述第一脉冲电流的流动方向与所述第二脉冲电流的流动方向以所述人体头部中心轴为对称轴呈对称设置，所述第一脉冲电流的幅值与所述第二脉冲电流的幅值相同，所述第一脉冲电流的频率与所述第二脉冲电流的频率不同。

7、基于上述
技术实现要素：
，提供了一种用于颅脑深部无创聚焦刺激的线圈空间阵列设计方案，即包括有用于布置在人体头部周围的且具有相同几何参数的多组差频刺激对，其中，所述差频刺激对包含有以人体头部中心轴为对称轴进行对称布置的且具有相同几何参数的第一多参数型特征线圈和第二多参数型特征线圈，所述第一多参数型特征线圈和所述第二多参数型特征线圈均采用多层多匝线圈结构，并通过多层多匝线圈结构的具体设计，可在工作时针对颅内深处区域进行聚焦，形成深脑加强且浅层削弱的刺激效果：深度刺激性能优化，平衡刺激深度和聚焦性，降低线圈工作所带来的副作用，并能够通过改变刺激电流的组态改变刺激靶点坐标，使刺激更有目的性，提高经颅刺激系统的工作效率，便于实际应用和推广。

8、在一个可能的设计中，所述多层多匝线圈结构的多个几何特征参数包含有层数、层间距、匝数、匝间距、所述最外侧一匝线圈的四分之一椭圆段的半短轴长度和半长轴长度以及所述最外侧一匝线圈的直角梯形段的高度和短底宽度。

9、在一个可能的设计中，所述最外侧一匝线圈的直角梯形段的高度等于所述最外侧一匝线圈的四分之一椭圆段的半长轴长度，所述最外侧一匝线圈的直角梯形段的短底宽度等于，其中，表示所述匝数，表示所述匝间距。

10、在一个可能的设计中，在所述最外侧一匝线圈的四分之一椭圆段布置于人体头部周围时，切点射线与中心轴垂面的夹角大于等于43度且小于等于51度，其中，所述切点射线是指以所述最外侧一匝线圈的四分之一椭圆段与人体头部的切点为起点的且经过人体头部中心点的射线，所述中心轴垂面是指垂直于所述人体头部中心轴的且经过所述人体头部中心点的平面。

11、在一个可能的设计中，所述多组差频刺激对包括有用于布置在人体头部上侧周围的两组差频刺激对和用于布置在人体头部下侧周围的另外两组差频刺激对。

12、在一个可能的设计中，所述两组差频刺激对中的四个多参数型特征线圈围绕所述人体头部中心轴环向等间距布置，所述另外两组差频刺激对中的四个多参数型特征线圈也围绕所述人体头部中心轴环向等间距布置。

13、在一个可能的设计中，所述两组差频刺激对中的四个多参数型特征线圈与所述另外两组差频刺激对中的四个多参数型特征线圈一一对应地上下布置。

14、在一个可能的设计中，所述平面绕制型多匝线圈的线圈外侧一端位于最外侧一匝线圈的直角梯形段的短底边上并作为脉冲电流引入端，所述平面绕制型多匝线圈的线圈内侧一端位于最内侧一匝线圈的直角梯形段的短底边上并作为脉冲电流引出端。

15、在一个可能的设计中，所述第一脉冲电流的频率与所述第二脉冲电流的频率的相差范围不超过10%。

16、第二方面，提供了一种经颅磁刺激系统，包括有控制模块、直流电源模块、充电电路、储能电容、放电开关、第一放电电路、第二放电电路和在如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的用于颅脑深度聚焦刺激的时域干涉特征刺激阵列，其中，所述直流电源模块的直流电输出端、所述充电电路、所述储能电容和所述放电开关的一端依次电连接，所述放电开关的受控端电连接所述控制模块的输出端，所述放电开关的另一端分别电连接所述第一放电电路的输入端和所述第二放电电路的输入端，所述第一放电电路的正极输出端电连接所述时域干涉特征刺激阵列中的所述第一多参数型特征线圈的脉冲电流引入端，所述第一放电电路的负极输出端电连接所述时域干涉特征刺激阵列中的所述第一多参数型特征线圈的脉冲电流引出端，所述第二放电电路的正极输出端电连接所述时域干涉特征刺激阵列中的所述第二多参数型特征线圈的脉冲电流引入端，所述第二放电电路的负极输出端电连接所述时域干涉特征刺激阵列中的所述第二多参数型特征线圈的脉冲电流引出端；

17、所述控制模块，用于在所述储能电容的两端电压达到预期值时，控制所述放电开关导通，以便通过所述第一放电电路和所述第二放电电路对所述储能电容进行放电；

18、所述第一放电电路和所述第二放电电路，用于在对所述储能电容放电时，一一对应地输出幅值相同且频率不同的两路脉冲电流。

19、上述方案的有益效果：

20、（1）本发明创造提供了一种用于颅脑深部无创聚焦刺激的线圈空间阵列设计方案，即包括有用于布置在人体头部周围的且具有相同几何参数的多组差频刺激对，其中，所述差频刺激对包含有以人体头部中心轴为对称轴进行对称布置的且具有相同几何参数的第一多参数型特征线圈和第二多参数型特征线圈，所述第一多参数型特征线圈和所述第二多参数型特征线圈均采用多层多匝线圈结构，并通过多层多匝线圈结构的具体设计，可在工作时针对颅内深处区域进行聚焦，形成深脑加强且浅层削弱的刺激效果：深度刺激性能优化，平衡刺激深度和聚焦性，降低线圈工作所带来的副作用，并能够通过改变刺激电流的组态改变刺激靶点坐标，使刺激更有目的性，提高经颅刺激系统的工作效率，便于实际应用和推广；

21、（2）可保持生物磁刺激无创且无需手术的优点，并在刺激过程中无需物理性移动刺激线圈，对临床操作友好，经济成本低。