Theoretical analysis of the induced electric fields in the head during magnetic stimulation

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适用于临床及动物试验的高频重复经颅磁刺激系统设计及其应用

为开展电磁刺激技术在神经调控及神经修复中的应用研究,研制了一种适用于临床及动物试验研究的高频重复经颅磁刺激(rTMS)系统,并利用该系统研究了rTMS对神经递质的影响及对脊髓损伤修复的作用。高频rTMS系统的参数由相关理论分析和仿真计算确定。系统完成后,使用慢性rTMS对SD大鼠进行15d刺激,考察其对大鼠谷氨酸和γ-氨基丁酸能系统的作用。最后,将rTMS系统与踏车训练机同步,研究rTMS对临床脊髓损伤患者康复治疗的作用。测试结果表明:研制的rTMS系统频率为0～15Hz可调,八字(figure-eight)线圈最高磁感应强度为2.5T。动物试验结果表明:慢性rTMS能选择性地调节不同脑区谷氨酸和γ-氨基丁酸含量。临床试验结果表明,rTMS同步踏车训练治疗6周后,训练组患者的运动评分(ASIA)和脊髓损伤步行指数Ⅱ(WISCIⅡ)相比对照组高,两者具有显著性差异。由上述试验结果可知:1)研制的rTMS系统的刺激频率和磁感应强度满足设计要求;2)慢性低频经颅磁刺激可以在某些神经精神疾病类疾病治疗中发挥作用;3)不完全性胸腰段脊髓损伤患者通过经颅磁刺激同步踏车训练后,运动功能恢复可得到一定程度的促进。

经颅磁刺激线圈的磁聚焦优化设计

经颅磁刺激是利用变化磁场产生的感应电场作用于可兴奋人体脑组织的过程,磁聚焦性能是经颅磁刺激线圈设计的一项重要指标。根据磁刺激线圈感应电场理论,我们设计了半圆螺线管用于经颅磁刺激,计算了其载流线圈随刺激深度的感应电场分布,并与传统的经颅磁刺激8字形线圈作比较。结果表明,半圆螺旋管线圈既继承了8字形线圈感应电场的主瓣聚焦性强的优良特性,又摒弃了其相对较大的旁瓣对浅表非靶组织的兴奋刺激的不良影响,完全达到了磁聚焦优化设计的目的,也更利于磁刺激兴奋点的定位。

磁刺激中线圈感应电场的聚焦性研究

根据磁刺激线圈感应电场理论 ,对圆形线圈、 8字形线圈、四圆形线圈和四叶形线圈感应电场的分布进行研究 ,结果表明四叶形聚焦性好 ,更利于磁刺激兴奋点的定位。

提高经颅磁刺激8字形线圈聚焦性的仿真与实验检测

提出一种可提高经颅磁刺激8字形线圈聚焦性的方法,即使用高电导率材料制作的窗口挡板减小线圈感应电场聚焦区域面积,并抑制负峰能量,同时采用高磁导率材料制作的导磁体增强线圈感应电场的正峰能量.建立了盐水槽仿真模型,并结合ANSYS有限元仿真,分析窗口板和导磁体对8字线圈感应电场分布的影响.分别使用铜和铁氧体制作了与仿真模型一致的窗口板和导磁体,使用盐水槽和Magstim Rapid2型磁刺激仪验证了仿真结果.结果表明,结合导磁体比单独使用窗口板具有更好的提高8字形线圈聚焦性能的效果.该方法可以灵活运用到经颅磁刺激线圈实际使用过程中,相比设计新型线圈而言,工作量更少,复杂性更低.

磁刺激8字形线圈的结构对感应电场分布影响

磁刺激是利用变化磁场产生的感应电场作用于可兴奋人体组织的过程。8字形线圈由于结构简单,常用于磁刺激中。故根据磁刺激感应电场理论,对8字形线圈改进了两种空间结构,计算其刺激深度感应电场分布,并与改进前作比较,结果表明扇形空间结构聚焦性好,更利于磁刺激兴奋点定位。

影响感应电场分布的线圈设计因素分析

本文理论上分析了影响头部磁刺激感应电场分布的各种因素 ,包括刺激线圈的形状、线圈的直径、直径与刺激深度比的影响以及线圈间距和通过线圈电流方向的影响等。分别计算了这些因素的变化引起的感应电场的变化情况 ,结果表明当直径为刺激深度的 2～ 4倍时磁刺激的定位性能较好。

经颅磁刺激器的设计及磁场分布的测量

提出了设计磁刺激器一般原则,包括基本理论、硬件及其构成,分析磁刺激器的RLC模型,给出模型参数的计算方法,讨论了决定磁场强度的各种因素;设计制作了一套磁刺激系统,绕制了圆形线圈和8字形线圈,并用这2种线圈进行实验,用特斯拉计检测线圈产生的磁场;实验数据显示,这2种线圈的磁场分布和目前已有的研究方法所作的理论计算对照,是相吻合的。在此基础上,进行了一个测量头部磁场的模拟实验。

提高脑神经磁刺激感应电场聚焦性能的线圈参数优化方法的研究

本研究提出一个衡量磁刺激线圈聚焦性的比较系数,比较不同形状线圈的感应电场聚焦性,研究线圈参数的优化方法。我们建立了磁刺激感应电场分布的数学模型,以Matlab作为仿真工具,以能够反映线圈刺激效果的比较系数ξ为指标,分析比较了几种不同线圈的聚焦性,以及成不同角度的线圈聚焦性。结果表明:四叶玫瑰形为刺激聚焦性最好的线圈形状,该线圈半径越小,聚焦性越好,成102°角的四叶玫瑰线形线圈具有最佳聚焦性,而且112°角四叶玫瑰形线圈与89°角线圈组合成的线圈阵列聚焦性最好。由此说明本研究中的比较系数可用于比较线圈聚焦性,对线圈参数的优化设计具有一定的指导意义。

八字线圈激励下五层球头模型感应电场能量的分布

研究经颅磁刺激(TMS)下人体头部组织内感应电场能量的分布状况,即组织内焦耳热能损耗情况。提出通过感应电能分配率及感应电能集中性两方面因素,研究蚊香型八字线圈激励下头部模型感应电场能量分布情况。利用ANSYS有限元方法建立蚊香型八字线圈,及包含了头皮、头骨、脑脊液、脑灰质和脑白质的五层球头模型,用瞬态分析方法研究感应电场能量分布。仿真结果表明,对线圈施以8 000 A交流电流时,感应电场能量的63.37%消耗于头皮层,其次是脑脊液层上的30.82%,而脑灰质层仅分配了2.6%,而该层能量集中度为15.72%。运用所建立的方法,可为建立逼近于真实条件的头部模型,提高脑神经磁刺激技术聚焦性能和定位性能,提供更加精确的仿真研究结果。

一种抑制反向感应电场的磁刺激线圈设计方法探讨

在无创性脑神经磁刺激技术中 ,多采用 8字形磁刺激线圈 ,在线圈周围一定距离的空间中 ,对应 8字线圈中心出现感应电场最大值 ,对应两外边缘处出现反向感应电场峰值 ,后者容易在刺激目标处产生副刺激。分析了8字形磁刺激线圈感应电场的分布 ,针对其反方向感应电场幅值较大、容易引起副刺激的问题提出了新的磁刺激线圈设计方法 ,以抑制感应电场副峰 。

多信道经颅磁刺激线圈阵列设计及场强分布计算

目的 :显示多元线圈阵列在球形头模中产生的电磁场分布。方法 :设计了一种新型经颅磁刺激仪的线圈阵列 ,建立在人体头部产生的电磁场模型。结果 :计算出不同线圈电流组态下 ,合成刺激磁场及感应电场在人体头部的分布 ,并作图显示几种电流组态下 ,三维图形和二维等高线图。结论 :多信道经颅磁刺激线圈阵列在人体头部产生的电磁场可控性强 ,聚焦性能强 。

磁刺激中深度感应电场分布的计算

磁刺激是利用变化磁场产生的感应电场作用于可兴奋人体组织的过程.根据磁刺激感应电场理论,计算8字形和四叶形线圈刺激深度感应电场的分布.结果表明通过线圈的电流方向直接影响感应电场的聚焦性.8字形线圈电流方向相反时用于刺激大脑皮层神经效果较好,而四叶形线圈电流方向左右相反,上下相同时,刺激外周神经纤维效果较好.