8字形经颅磁刺激线圈、磁刺激装置及磁刺激系统

1.本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种8字形经颅磁刺激线圈、磁刺激装置及磁刺激系统。


背景技术：

2.经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,tms)是在神经科学领域用于研究大脑功能的一种有力的工具。临床结果也表明，tms对神经疾病、精神疾病、神经性疼痛和抑郁症有治疗作用。tms的工作原理可以用电磁感应现象来解释，利用外部的磁刺激线圈在颅内需要刺激的部位产生足以使神经元去极化的电场，引起神经细胞层面和行为层面的变化。tms在实施刺激后的一段时间仍能产生影响，因此具有重要的医疗价值。
3.8字形线圈是目前常用的对颅内特定区域实施精确刺激的tms线圈，相比其他形状的tms线圈，8字形线圈在颅内产生的刺激区域相对集中，但由于tms的工作原理，其产生的电场强度超过神经刺激阈值的范围仍然是大脑皮层上一个较大的区域，无法实现有效精准地刺激。


技术实现要素：

4.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种8字形经颅磁刺激线圈、磁刺激装置及磁刺激系统。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.一种8字形经颅磁刺激线圈，包括：
7.8字形线圈，包括两个通孔；
8.软磁磁芯，安装在所述8字形线圈的中心位置，所述软磁磁芯呈u型，包括两个柱体以及连接所述两个柱体的横梁，两个所述柱体分别置入所述两个通孔内；
9.在所述通孔的横截面上，所述柱体的中心处于所述通孔的中心与所述通孔的边之间。
10.进一步地，所述软磁磁芯采用高磁导率、高饱和磁化强度的材料制成。
11.进一步地，在所述通孔的横截面上，所述柱体的面积远小于所述通孔的面积。
12.进一步地，所述两个通孔所在的平面之间具有夹角。
13.进一步地，所述柱体为圆柱体、多棱柱体或多棱锥体。
14.进一步地，所述通孔的形状为圆形、椭圆形或多边形。
15.进一步地，所述软磁磁芯为匀质的u形磁芯、多层铁基软磁片堆叠形成的磁芯或者多层非晶带材堆叠形成的磁芯。
16.进一步地，所述软磁磁芯被磁化后的磁感应强度的表达式如下：
17.b＝μ0μ
r
h
18.其中，μ0为真空磁导率，μ
r
为磁性材料的相对磁导率，h为软磁磁芯所在8字形线圈内的磁场强度。进一步地，
19.本发明所采用的另一技术方案是：
20.一种经颅磁刺激装置，包括：
21.经颅磁刺激线圈，采用上所述的一种8字形经颅磁刺激线圈来实现；
22.电源，为所述经颅磁刺激线圈提供预设频率的交变电流。
23.本发明所采用的另一技术方案是：
24.一种经颅磁刺激系统，包括箱体以及放置于所述箱体内的若干如上所述的一种经颅磁刺激装置。
25.本发明的有益效果是：本发明通过在8字形线圈上安装小尺寸的软磁磁芯，且该软磁磁芯与8字形线圈之间采用偏心结构，提升8字形线圈沿磁芯方向刺激的精度。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
27.图1是本发明实施例中8字形经颅磁刺激线圈对刺激效果影响的模型图；
28.图2是本发明实施例中软磁磁芯的仰视图；
29.图3是本发明实施例中软磁磁芯的侧视图；
30.图4是过图1所示的模型对称轴的y
‑
z剖面图；
31.图5是本发明实施例中加入与8字形线圈同心的磁芯与没带磁芯的线圈产生的感应电场强度的比对图；
32.图6是本发明实施例中加入与8字形线圈同心的磁芯与没带磁芯的线圈对应的e
θ
/e0比例的比对图；
33.图7是本发明实施例中加入与8字形线圈同心的磁芯、加入与8字形线圈偏心的磁芯以及没带磁芯的线圈对应的θ0角度的示比对图。
34.图8是本发明实施例中加入与8字形线圈偏心的磁芯与没带磁芯的线圈刺激范围的效果图；
35.图9是本发明实施例中加入与8字形线圈同心的磁芯的示意图。
具体实施方式
36.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
39.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
40.如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种8字形经颅磁刺激线圈，包括：
41.8字形线圈2，包括两个通孔；
42.软磁磁芯1，安装在8字形线圈2的中心位置，软磁磁芯1呈u型，包括两个柱体以及连接两个柱体的横梁，两个柱体分别置入两个通孔内；
43.在通孔的横截面上，柱体的中心处于通孔的中心与通孔的边之间。
44.本实施例通过在8字形线圈的中心位置上设置小尺寸的软磁磁芯，且8字形线圈与软磁磁芯之间偏心，通过软磁磁芯与8字形线圈匹配，达到提升8字形线圈沿磁芯方向刺激精度的目的；其中，如图1所示，8字形线圈的中心位置指的是8字形线圈中两个线圈连接的位置。如图1所示，8字形线圈与软磁磁芯之间偏心指的是：8字形线圈的通孔的中心与柱体的中心不重合。
45.在一些可选的实施例中，8字形线圈的线圈的截面不限形状，如矩形、椭圆形、多股线圈等。
46.在一些可选的实施例中，8字形线圈的线圈的具体绕线方式不限，如单股的环状8字形线圈、多股的环状8字形线圈、连接部分为放置u形磁芯而限制宽度的盘状8字形线圈等。
47.在一些可选的实施例中，8字形线圈的线圈的整体结构不限，包括两侧线圈在同一平面的8字形线圈，两侧线圈之间存在特定夹角的8字形线圈等。
48.图1为分析8字形经颅磁刺激线圈对刺激效果影响的模型图，图中包括：软磁磁芯1、8字形线圈2和简化的头部模型3。选择y
‑
z剖面分析磁芯对刺激效果的影响，此平面内的磁场强度、磁场方向都可以通过调节线圈尺寸进行调节。头部模型使用一个半径为95mm的球代表颅内组织(以组织液的电磁学参数做代表)，球外有一层5mm的壳层代表颅骨。颅骨的相对磁导率、电导率、相对介电常数分别为0.99、0.01s/m、13.50；组织液的相对磁导率、电导率、介电常数分别为0.99、4.0s/m、80.0。如图4所示，以y
‑
z平面中靠近线圈一侧的180
°
圆弧(测量线)上电场强度分布的改变评价线圈结构改变对刺激效果的影响。8字形经颅磁刺激线圈在正下方(θ＝0)产生的感应电场强度e0最大，使用测量线上不同位置θ处电场强度e
θ
/e0评价不同线圈的刺激精度，随着θ增大e
θ
/e0减小的越快，说明在线圈正下方产生的刺激精度越高。
49.如图9所示，当磁芯的对称轴与8字形线圈的对称轴重合时，即磁芯与8字形线圈同心(中心点重合)；如图5所示，加入磁芯的8字形线圈可以在线圈中电流强度相同的情况下，在颅内相同位置产生更强的感应电场。其中，图9为加入与8字形线圈同心的磁芯的示意图。
50.参见图6，图6为归一化后测量线上的电场分布，加入与线圈同心的磁芯对刺激精度没有影响。由图6可知，随着θ增大，e
θ
/e0先减小至0，后有一定的增大。因此，使用e
θ
/e0减
小至0的θ角(θ0)判断不同线圈的刺激精度。由上可知，磁芯与8字形线圈同心的情况下，磁芯可以在不影响刺激效果的前体下降低线圈内电流强度，但无法提升头部模型内产生电场分布的精度。
51.基于上述分析，本实施例提供一种偏心的小尺寸磁芯，通过匹配不同尺寸的8字形线圈，以达到提升8字形线圈沿磁芯方向刺激精度的目的。在不同的线圈+磁芯组合情况下，相比不加入磁芯、或加入一个与线圈同心的磁芯，对经颅磁刺激线圈的刺激精度均有明显的提升效果，如图7所示。相比不加入磁芯的8字形线圈或加入与8字形线圈同心的磁芯，加入本实施例提出的偏心u形磁芯可以明显的减小θ0，即提高8字形线圈的刺激精度。其中，图7中，方形的折线代表不带磁芯的8字形线圈，圆形的折线代表带同心磁芯的8字形线圈，三角形的折线代表带偏心磁芯的8字形线圈，由图7可以明显的看出，带偏心磁芯对应的θ0更小，即刺激更加精准。
52.在实施经颅磁刺激的过程中，8字形tms线圈(也即8字形线圈)中通入特定频率的交变电流，由于交变电流的频率较低，因此可以认为tms线圈工作在准静态环境下，因此可以用静磁学相关理论对线圈周围的磁场分析。同样的，也可以高磁导率、高饱和磁化强度的软磁磁芯的磁化过程是在准静态环境下磁化的。
53.在外磁场的作用下，各向同性的磁性材料被磁化，并且磁化后的磁感应强度与b磁性材料的相对磁导率μ
r
成正比，可以表述为：
54.b＝μ0μ
r
h
ꢀꢀꢀ
(1)
55.此处，b为材料磁化后的磁感应强度；μ0为真空磁导率；μ
r
为磁性材料的相对磁导率；h为材料所在环境中的磁场强度。
56.通常，磁性材料的磁导率可以很高，如硅钢的μ
r
可以达到7000～10000，饱和磁化强度可以达到1.9～2.0t。因此在8字形线圈中心加入一个高磁导率、高饱和磁化强度的软磁磁芯，可以在很小的外加磁场下产生很强的磁感应强度。因此可以通过在8字形线圈中加入磁导率很高的磁性材料，调节tms线圈周围的磁场分布，提升tms线圈的刺激精度。
57.图8展示了在环状8字形tms线圈中加入磁芯前后颅内的感应电场分布。此截面为图1中的y
‑
z截面，可以看到8字形线圈在颅内产生的电场强度最大的区域在8字形线圈连接位置的正下方，在颅内组织的表面上的电场强度随着与线圈轴线的夹角增大逐渐下降至0，此后随着与线圈轴线夹角的继续增大而发生一定的变化。由于感应电场较大的区域集中在8字形线圈连接位置的正下方，因此可以使用8字形线圈正下方的电场强度在y
‑
z平面内的从线圈轴线上的最大感应电场强度降至0电场的位置θ0的大小判断不同结构的8字形线圈刺激精度，根据以上描述可知，θ0越小意味着线圈的刺激精度越高。
58.图7为使用有限元法计算得到的三类不同8字形线圈的尺寸对刺激精度的影响。三类线圈分别为：无磁芯的8字形线圈、磁芯半径r
core
与线圈半径r
coil
保持r
coil
‑
r
core
＝10mm的8字形线圈(即同心磁芯)、加入一个特定尺寸的u形磁芯且r
core
＝9mm，l
core
＝40mm，h
core
＝23mm的软磁磁芯(即偏心磁芯)。由图7中的结果可知，第三类线圈(加了偏心磁芯)的刺激精度总是好于前两类，且线圈尺寸越大，第三类线圈在刺激精度方面的优势越明显。
59.综上所述，本实施例的经颅磁刺激线圈相对于现有的经颅磁刺激线圈，具有如下有益效果：
60.(1)本实施例提供一种偏心结构的经颅磁刺激线圈，通过匹配不同尺寸的8字形线
圈，能够提升8字形线圈沿磁芯方向刺激的精度。
61.(2)本实施例采用软磁磁芯，软磁材料具有较低的矫顽力和较高的磁化强度，在较小的磁场下可以磁化产生很大的磁通量，达到改变线圈周围磁场强度分布的目的。
62.本实施例还提供一种经颅磁刺激装置，包括：
63.经颅磁刺激线圈，采用上所述的一种8字形经颅磁刺激线圈来实现；
64.电源，为所述经颅磁刺激线圈提供预设频率的交变电流。
65.本实施例的经颅磁刺激装置与上述的一种8字形经颅磁刺激线圈具有对应的关系，因此具备一种8字形经颅磁刺激线圈中的功能与效果。
66.本实施例还提供一种经颅磁刺激系统，包括箱体以及放置于所述箱体内的若干如上所述的一种经颅磁刺激装置。
67.本实施例的经颅磁刺激系统与上述的一种8字形经颅磁刺激线圈具有对应的关系，因此具备一种8字形经颅磁刺激线圈中的功能与效果。
68.在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
69.尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
70.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。