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《北京生物醫(yī)學(xué)工程雜志》2016年第3期

摘要：

目的設(shè)計(jì)用于經(jīng)顱磁刺激的線圈，要求能夠?qū)Υ竽X皮質(zhì)進(jìn)行多點(diǎn)刺激，且具有聚焦性好、制作簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)。方法利用電磁仿真方法，以圓形線圈和8字形線圈為基礎(chǔ)，計(jì)算線圈在均勻人體模型中感應(yīng)電場(chǎng)的分布情況，比較尺寸、繞法對(duì)經(jīng)顱磁刺激線圈的聚焦性和刺激深度的影響。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種多圓相切線圈，并計(jì)算該線圈在均勻人體和真實(shí)頭部模型中的電場(chǎng)分布。結(jié)果感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度隨刺激深度的增加呈指數(shù)式衰減。減小圓形線圈的尺寸，會(huì)提高聚焦性，同時(shí)可減弱感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度。8字形線圈比圓形線圈具有更好的聚焦性，多層繞法綜合效果較好。多圓相切線圈具有8字形線圈的優(yōu)點(diǎn)，且可以進(jìn)行多點(diǎn)刺激。結(jié)論尺寸、繞法等因素對(duì)線圈的聚焦性和刺激深度具有重要影響，多圓相切線圈在經(jīng)顱磁刺激中具有很好的應(yīng)用前景。真實(shí)頭部模型仿真，對(duì)于線圈的設(shè)計(jì)和靶區(qū)定位具有重要意義。

關(guān)鍵詞：

經(jīng)顱磁刺激；線圈；電場(chǎng)分布；真實(shí)頭部模型；SEMCADX

0引言

經(jīng)顱磁刺激作為一種非侵入式、無(wú)痛的磁刺激技術(shù)，自1985年Baker等［1］首次成功應(yīng)用于人體后，受到人們的廣泛關(guān)注。TMS的工作原理是將簡(jiǎn)短強(qiáng)烈的電流脈沖送至位于被試頭頂處的線圈中，激勵(lì)線圈產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，繼而通過電磁感應(yīng)在大腦內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)。感應(yīng)電場(chǎng)調(diào)節(jié)神經(jīng)的跨膜電位從而影響神經(jīng)活動(dòng)，產(chǎn)生興奮或者抑制作用［2］。磁刺激技術(shù)是通過空間耦合進(jìn)入人體的，因此相較于電刺激技術(shù)，具有無(wú)創(chuàng)、無(wú)痛、深入、不接觸皮膚等優(yōu)點(diǎn)。其在臨床上主要應(yīng)用于大腦皮質(zhì)興奮性的研究、正常和病理的人腦功能映射的研究以及對(duì)各類精神疾病的治療。研究表明，TMS尤其是重復(fù)經(jīng)顱磁刺激在腦基礎(chǔ)研究及對(duì)抑郁癥、帕金森、腦卒中等疾病的治療上發(fā)揮著重要的作用［3－6］。在磁刺激技術(shù)的各種應(yīng)用中，一般感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大的地方為大腦的激活區(qū)域［7］，要對(duì)目標(biāo)區(qū)域（靶區(qū)）進(jìn)行準(zhǔn)確而有效的刺激則對(duì)線圈磁場(chǎng)的聚焦性和刺激深度具有很高的要求。由于靶區(qū)內(nèi)部并沒有實(shí)質(zhì)的電流源，所以無(wú)法真正將磁感生電流聚焦。然而，改變穿過靶區(qū)組織的電流密度的聚焦性卻是可行的，這主要取決于線圈的形狀、大小、繞法和位置等因素，故線圈的設(shè)計(jì)成為磁刺激系統(tǒng)研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。人們主要借助理論計(jì)算［8］、數(shù)值仿真［9－10］以及感應(yīng)電流檢測(cè)［11］等方式對(duì)線圈的電磁場(chǎng)分布進(jìn)行研究。通過仿真研究線圈設(shè)計(jì)中的各種因素與磁場(chǎng)聚焦性、刺激深度之間的關(guān)系，可以為線圈的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，結(jié)合真實(shí)頭部模型的仿真可以對(duì)刺激部位進(jìn)行定位，確保磁場(chǎng)作用于靶區(qū)的準(zhǔn)確性與有效性。圓形線圈最早應(yīng)用于TMS系統(tǒng)［1］，它產(chǎn)生的是非聚焦的環(huán)形電場(chǎng)，刺激的大腦區(qū)域?yàn)閷?duì)應(yīng)線圈邊緣的環(huán)形區(qū)域。針對(duì)圓形線圈，人們做了各種嘗試，包括將線圈的一側(cè)按一定角度進(jìn)行彎折［12］，或者改變圓形線圈邊緣的繞線密度［13］和凹凸性［14］，但是這些方法只是略微提高了圓形線圈的聚焦能力。1988年，Ueno和他的同事提出的8字形線圈顯著提高了TMS的聚焦性［15］。8字形線圈由一對(duì)相鄰且內(nèi)部電流方向相反的環(huán)形線圈組成，產(chǎn)生的聚焦電場(chǎng)位于兩翼線圈相切處的下方。以8字形線圈為基礎(chǔ)的變形包括固定兩翼線圈為一定角度，將兩個(gè)環(huán)形線圈的外側(cè)均折起，增加中心相切處的繞線密度以及優(yōu)化兩翼線圈的形狀［16］等。為了提高線圈的性能，人們還提出了許多其他的線圈以及變形，包括Slinky線圈、四葉形線圈、線圈陣列和雙錐形線圈、H線圈、皇冠線圈等，其中線圈陣列可以提供多個(gè)聚焦點(diǎn)，四葉形線圈被證明在刺激長(zhǎng)纖維組織上的效果優(yōu)于8字形線圈［17］，而H線圈則在深度TMS上存在巨大的優(yōu)勢(shì)［10，18］。對(duì)于任何線圈，刺激到大腦深部的能力均是以電磁場(chǎng)擴(kuò)散為代價(jià)的。這些線圈以及變形均在一定程度上提高了TMS的聚焦性或者刺激深度，但同時(shí)也存在諸如制作工藝復(fù)雜、磁漏大、效率低等缺點(diǎn)。使用輔助手段，例如高磁導(dǎo)率的鐵芯［19］和屏蔽板［20］等也對(duì)線圈的電磁場(chǎng)優(yōu)化具有一定的作用。目前，TMS系統(tǒng)中應(yīng)用最多的還是8字形線圈，這主要是由于8字形線圈的刺激深度為1～2cm，可以進(jìn)行大腦皮質(zhì)的刺激，具有較好的聚焦性，最重要的是制作簡(jiǎn)單，使用方便。人類的很多活動(dòng)都是有大腦協(xié)同作用的結(jié)果，而且很多神經(jīng)或者精神類疾病也都涉及多個(gè)腦區(qū)，在進(jìn)行大腦功能研究和相關(guān)疾病的治療中單點(diǎn)刺激往往具有一定的局限性，所以設(shè)計(jì)一款可以進(jìn)行多點(diǎn)刺激的線圈是十分必要的。理論上線圈的大小、繞法、形狀和位置等因素直接影響靶區(qū)的感應(yīng)電流密度，影響治療效果，所以本文利用電磁場(chǎng)仿真技術(shù)，首先分析了線圈半徑和繞法對(duì)感應(yīng)電場(chǎng)分布的影響以及8字形線圈的性能，并設(shè)計(jì)一種多圓相切線圈，這種線圈繼承了8字形線圈的諸多特點(diǎn)，具有制作簡(jiǎn)單使用方便，聚焦性好、旁瓣刺激小、可進(jìn)行多點(diǎn)刺激等優(yōu)點(diǎn)。最后，利用真實(shí)人體頭部模型揭示了多圓相切線圈的顱內(nèi)電場(chǎng)分布情況，對(duì)于磁刺激的靶區(qū)定位和后續(xù)的線圈改進(jìn)具有重要意義。

1方法

1.1電磁場(chǎng)仿真本文所用的電磁場(chǎng)仿真的工具為SEMCADX，這是一款基于時(shí)域有限差分方法和有限元法的三維全波段仿真軟件。FDTD是Yee等于1966年提出的，是將空間離散為若干立方體，分別計(jì)算小立方體上的場(chǎng)強(qiáng)，從而獲得整個(gè)空間的場(chǎng)分布，基礎(chǔ)為麥克斯韋方程組［21］。麥克斯韋方程組的微分形式如下所示：×H＝J＋Dt×E＝J＋BT•B＝0•D＝ρ式中：×為旋度算符；•為散度算子；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；J為傳導(dǎo)電流密度；D為電位移；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρ為電荷密度。式（1）～式（4）分別為全電流定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、磁通連續(xù)性原理以及靜電場(chǎng)高斯定律的微分形式。電磁場(chǎng)仿真需要進(jìn)行以下幾個(gè)步驟：建模，施加激勵(lì)源，給定材料，劃分網(wǎng)格，求解設(shè)置，查看結(jié)果和后處理。其中，建模、給定材料并設(shè)定參數(shù)和劃分網(wǎng)格較為重要，可以自己創(chuàng)建模型也可以導(dǎo)入現(xiàn)有模型，給定材料并設(shè)定參數(shù)決定了介質(zhì)以及激勵(lì)情況，剖分網(wǎng)格的好壞則直接影響仿真的精細(xì)程度以及對(duì)硬件資源的要求。本文建模采用的均是內(nèi)徑為25mm的漆包銅線，激勵(lì)源為電流源，采用正弦波，最大電流為3000A，頻率為03Hz［22］。由于感應(yīng)電磁場(chǎng)與功率成正比，所以采用總功率歸一化的處理方法，這樣可以消除在相同電流激勵(lì)下因線圈匝數(shù)不同導(dǎo)致的總功率不同對(duì)電磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在進(jìn)行線圈分析和設(shè)計(jì)時(shí)，將人體組織看作是均勻介質(zhì)，可以獲得規(guī)則的電場(chǎng)分布，易于比較分析，將均勻人體模型的電導(dǎo)率設(shè)置為033S／m［10］。

1.2線圈尺寸、繞法對(duì)感應(yīng)電場(chǎng)的影響

為了研究線圈半徑對(duì)于感應(yīng)電場(chǎng)分布的影響，本文采用單匝圓形線圈，內(nèi)部半徑依次為15mm、20mm、25mm。為了研究線圈繞法對(duì)于感應(yīng)電場(chǎng)分布的影響，本文采用8字形線圈，匝數(shù)為4，組成8字形線圈的兩個(gè)圓形線圈內(nèi)的電流方法相反，采用螺線管形、多層繞法和蚊香形三種繞法，如圖1所示。雖然TMS是通過磁場(chǎng)耦合進(jìn)入人體的，但作用于人體的是感應(yīng)電場(chǎng)，故提取線圈下方5mm處直徑方向上以及線圈下方1～50mm主軸方向上均勻人體組織內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)進(jìn)行分析。

1.38字形線圈和多圓相切線圈

考慮到8字形線圈是TMS系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的，本文將通過對(duì)比圓形線圈和8字形線圈的電場(chǎng)分布，分析8字形線圈的優(yōu)點(diǎn)。采用的圓形線圈和8字形線圈均為單匝，單個(gè)圓的內(nèi)部半徑為20mm，提取線圈下方5mm處徑向上的均勻人體組織內(nèi)的感應(yīng)電場(chǎng)進(jìn)行分析。結(jié)合8字形線圈的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種新型的多圓相切線圈，如圖2所示，其中箭頭表示電流方向。該線圈由5個(gè)內(nèi)半徑為20mm內(nèi)圈圓和1個(gè)內(nèi)半徑為65mm外圈圓組成，中心圓分別與內(nèi)圈4個(gè)圓外部相切，通反向電流時(shí)可以將其看作4個(gè)8字形線圈，切點(diǎn)下方會(huì)形成聚焦電場(chǎng)；外圈大圓內(nèi)的電流方向與中心圓相同，與內(nèi)圈4個(gè)圓的相反，這樣就會(huì)在增強(qiáng)中心圓電磁場(chǎng)強(qiáng)度的同時(shí)減弱旁瓣的電磁場(chǎng)強(qiáng)度；圓形線圈制作工藝簡(jiǎn)單。

1.4真實(shí)頭部模型仿真

為了使線圈的電場(chǎng)能準(zhǔn)確作用于靶區(qū)，并觀察線圈在人體內(nèi)部的電場(chǎng)分布，本文采用由IT’IS基金會(huì)提供的26歲女性Ella的人體真實(shí)頭部模型［23］。該人體模型是基于高分辨率的核磁圖像得到的，將人體精確分割成了80多種不同的組織，其中頭部組織約16種。在電磁仿真中，對(duì)于不同頻率的激勵(lì)源，人體組織的屬性值不同，故將模型導(dǎo)入SEMCADX后，需要根據(jù)設(shè)定的頻率，調(diào)用模型自帶的生物組織電磁仿真材料參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)相應(yīng)的組織屬性值進(jìn)行設(shè)置，本研究中頭皮的電導(dǎo)率為00002S／m，頭蓋骨、灰質(zhì)和白質(zhì)的電導(dǎo)率為002S／m，腦髓液的電導(dǎo)率為2S／m。本文設(shè)計(jì)的多圓相切線圈置于頭頂上方，與頭皮的最小距離為5mm。激勵(lì)源為電流源，采用正弦波，最大電流為3000A，頻率為03Hz，計(jì)算時(shí)將總功率進(jìn)行歸一化處理。在計(jì)算完成后處理時(shí)，可以顯示感應(yīng)電場(chǎng)在任一組織中的分布情況，例如灰質(zhì)或者頭皮等，也可以根據(jù)需求選擇對(duì)應(yīng)的大腦區(qū)域。

2仿真結(jié)果

不同半徑圓形線圈的徑向感應(yīng)電場(chǎng)分布如圖3（a）所示，從中可以看出圓形線圈的感應(yīng)電場(chǎng)的最大值對(duì)應(yīng)于線圈的邊緣；半徑為15mm的圓形線圈的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最小，約為14×10－3V／m，但是聚焦性較好；半徑為25mm的圓形線圈的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大，約為20×10－3V／m，但是聚焦性最差。圖3（b）為不同半徑圓形線圈的軸向感應(yīng)電場(chǎng)分布，可以看出軸向上的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度隨軸向深度的增大呈指數(shù)式的衰減；在相同的軸向深度下，半徑越大，感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度越高。圓形線圈的刺激范圍為環(huán)形，聚焦性差，在總功率一致的情況下，減小線圈的尺寸可以提高聚焦性，但是其感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)隨之減弱。圖4為不同繞法的8字形線圈的感應(yīng)電場(chǎng)分布圖，從中可以看出通反向電流的8字形線圈，在其兩翼相切處的電場(chǎng)強(qiáng)度最大；同一軸向深度下，螺線管形的感應(yīng)電場(chǎng)最小，蚊香形的感應(yīng)電場(chǎng)最大，但是多層繞法的聚焦性更好，且旁瓣強(qiáng)度相對(duì)較小。8字形線圈的刺激范圍為一點(diǎn)，聚焦性好，在總功率一致的情況下，多層繞法的綜合效果較好。單匝圓形線圈和8字形線圈的感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)比情況如圖5所示，從中可以看出，8字形線圈對(duì)于感應(yīng)電場(chǎng)具有聚焦增強(qiáng)效應(yīng)，當(dāng)功率相同時(shí)，同一軸向深度下，8字形線圈的感應(yīng)電場(chǎng)最大值大約為圓形線圈的2倍；8字形線圈的峰值出現(xiàn)在兩翼相切處，刺激范圍為一點(diǎn)，相較于圓形線圈的環(huán)形刺激范圍，其聚焦性更好。圖6是本文設(shè)計(jì)的多圓相切線圈和8字形線圈的感應(yīng)電場(chǎng)分布圖，為了更加直觀地比較兩線圈感應(yīng)電場(chǎng)的峰值情況，將8字形線圈的電場(chǎng)向右平移了20mm，即一個(gè)半徑的長(zhǎng)度，使得兩線圈的電場(chǎng)峰值在同一橫坐標(biāo)上。由圖可知，兩線圈的聚焦性基本相同，多圓相切線圈旁瓣強(qiáng)度較小，對(duì)非靶區(qū)刺激較弱；當(dāng)刺激深度大于10mm時(shí)，多圓相切線圈的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度高于8字形線圈，深度刺激時(shí)更有優(yōu)勢(shì)；8字形線圈在兩翼相切處形成一個(gè)刺激點(diǎn)，而本文提出的多圓相切線圈會(huì)形成4個(gè)刺激點(diǎn)，可進(jìn)行多點(diǎn)刺激；在制作工藝上，該新型線圈由6個(gè)圓形線圈組合而成，制作簡(jiǎn)單，使用方便。將本文的多圓相切線圈平行于XY平面置于頭頂上方，距離頭皮的最近距離為5mm，得到的感應(yīng)電場(chǎng)在大腦灰質(zhì)上的分布情況如圖7所示。從圖中可以看出雖然多圓相切線圈具有4個(gè)刺激點(diǎn)，但是4個(gè)刺激點(diǎn)下方灰質(zhì)上的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度并不一致。這主要是由于人頭的橢球形狀和線圈的平面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致線圈的4個(gè)刺激點(diǎn)與灰質(zhì)的最近距離不一致。由于人腦后側(cè)的灰質(zhì)距離最近，從而最高電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在后側(cè)刺激點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰質(zhì)區(qū)域。也正是由于人體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則，從而突出了真實(shí)頭部模型仿真在靶區(qū)定位和線圈設(shè)計(jì)上的重要性。

3討論與結(jié)論

經(jīng)顱磁刺激在人腦功能的研究和各類精神疾病的治療上應(yīng)用廣泛，且潛力巨大。為了有效刺激目標(biāo)區(qū)域即靶區(qū)，實(shí)現(xiàn)研究或者治療目的，人們不斷進(jìn)行刺激線圈的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，以求達(dá)到更好的聚焦性和刺激深度，其中數(shù)值仿真是一種重要手段。在線圈的設(shè)計(jì)中，尺寸、繞法、形狀和位置等因素直接影響靶區(qū)的感應(yīng)電流密度，影響治療效果。針對(duì)圓形線圈的尺寸問題，半徑越大刺激深度越深，但是聚焦性會(huì)變?nèi)酢＞€圈的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度隨深度呈指數(shù)式衰減。在線圈的設(shè)計(jì)上，刺激深度和聚焦性遵循著此消彼長(zhǎng)的規(guī)律：刺激較深的線圈聚焦性差，這從DengZhiDi等［10］提出的對(duì)線圈深度－聚焦性的量化方法可以看出。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體情況來(lái)權(quán)衡，制定合適的尺寸。對(duì)于繞法問題，多層繞法的綜合情況要優(yōu)于螺線管形和蚊香形，但是螺線管形聚焦性偏好，旁瓣強(qiáng)度低，蚊香形線圈的刺激深度更深。針對(duì)多層繞法，當(dāng)匝數(shù)較多時(shí)，優(yōu)化組合方式以達(dá)到更好的綜合效果是設(shè)計(jì)人員需要考慮的問題。所謂的綜合效果不僅僅指聚焦性和刺激深度，還要考慮發(fā)熱、噪聲［24］和效率［25］等因素。雖然，TMS的線圈設(shè)計(jì)已歷經(jīng)多年，也研制出了針對(duì)聚焦性或者刺激深度的各種線圈，但是8字形線圈仍是目前應(yīng)用最廣泛的。通過8字形線圈和圓形線圈的感應(yīng)電場(chǎng)的比較，可以看出8字形線圈在兩翼相切處具有電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，雖然刺激深度與圓形線圈相似，但卻大幅度提高了聚焦性，再加上其制作工藝簡(jiǎn)單、功耗低、使用方便的有利因素，使得8字形線圈到現(xiàn)在仍然被廣泛使用。基于8字形線圈的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種多圓相切線圈，與傳統(tǒng)的8字形線圈相比，在不降低聚焦性的同時(shí)提高了刺激強(qiáng)度，而且具有4個(gè)刺激點(diǎn)，可以進(jìn)行多點(diǎn)刺激。使用真實(shí)頭部模型分析線圈的電場(chǎng)分布情況，可以有效地定位靶區(qū)，確定線圈與頭皮間的距離以及方位等，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，并為線圈進(jìn)一步改進(jìn)提供依據(jù)。本文僅分析了多圓相切線圈在單匝時(shí)的感應(yīng)電場(chǎng)情況，也就是說(shuō)只考慮了形狀這個(gè)單一因素，在今后的研究中還需考慮尺寸和繞法等因素的影響。研究表明，8字形線圈具有較好的聚焦性，且制作工藝簡(jiǎn)單。本文提出的多圓相切線圈，繼承了8字形線圈的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以進(jìn)行多點(diǎn)刺激，真實(shí)頭部模型的仿真揭示了感應(yīng)電場(chǎng)的顱內(nèi)分布，并為靶區(qū)的定位和線圈的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

［12］魏孔炳，董緒偉，逯邁，等．經(jīng)顱磁刺激圓形線圈變形對(duì)空間磁場(chǎng)分布的影響［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2014，（3）：12－15．

［22］王修信，胡維平，楊永栩，等．磁刺激8字形線圈的結(jié)構(gòu)對(duì)感應(yīng)電場(chǎng)分布影響［J］．北京生物醫(yī)學(xué)工程，2006，25（2）：193－195．

作者:周亞男 張紅衛(wèi) 郝冬梅 曹 榮瑤 單位:北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院 天津市南開醫(yī)院 首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院放射科