經(jīng)顱磁刺激線圈結構設計分析綜述*

陳福謙，周 軍 ，2*，王永波 ，李麗紅

（1.山東大學 機械工程學院，山東 濟南 250061；2.山東大學 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南250061）

0 引 言

早在1980年，Merton等人［1］通過表面電極，利用瞬時高壓脈沖電流刺激人體大腦運動皮層，并在相應的部位幾乎同步的檢測到了運動誘發(fā)電位（motor evoked potential，MEP）。這種方法叫做經(jīng)顱電刺激（transcranial electrical stimulation，TES），它存在一個很大的問題，就是這種瞬時大脈沖電流會讓人體產(chǎn)生較強的不適感。1985年，Barker和他的同事們［2］首次成功地利用瞬時大脈沖的外部磁場刺激人體大腦運動皮層和外圍神經(jīng)。這種非侵入性、無痛的磁場刺激方法叫做經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）。相對于電刺激，經(jīng)顱磁刺激更容易實現(xiàn)腦深部刺激，人體不適感很小且與人體無接觸［3］。這種技術一經(jīng)問世，便引起了強烈的反響，并迅速發(fā)展成為一種非侵入性的研究人體神經(jīng)系統(tǒng)的強有力工具。經(jīng)過三十余年的發(fā)展，經(jīng)顱磁刺激已經(jīng)被廣泛地應用到科學研究和臨床治療領域，特別是重復經(jīng)顱磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）在研究和治療抑郁癥、帕金森病、癲癇、神經(jīng)性疼痛、脊髓損傷和腦卒中等臨床疾病中發(fā)揮著重要的作用［4］。Rossini等人［5］總結了經(jīng)顱磁刺激技術在未來臨床應用中的3個關鍵領域：在神經(jīng)疾病的治療中人為地改變大腦皮層的興奮度，研究在認知任務中皮層區(qū)域的功能映射，治療精神疾病。

經(jīng)顱磁刺激儀有兩個重要組成部分：提供大脈沖電流的能量發(fā)生裝置和產(chǎn)生大脈沖磁場的刺激線圈。目前臨床和科研中廣泛使用的線圈有兩種：圓形線圈和8字型線圈。盡管這兩種線圈具備很多的優(yōu)點，但在需要精確刺激靶點神經(jīng)區(qū)域的情況下，這兩種線圈并不能提供良好的空間分辨率［5-6］。線圈產(chǎn)生的磁場在空間散布范圍很大，這會刺激到目標區(qū)域以外的神經(jīng)組織，產(chǎn)生無法預料的后果。而且線圈產(chǎn)生的磁場隨著離開線圈表面距離的增加迅速衰減，所以無法對腦深部神經(jīng)區(qū)域進行有效的刺激。為了提高磁場的聚焦性，并實現(xiàn)深部腦刺激，科學家們設計了多種線圈的結構。

本研究對不同的線圈結構進行分析研究，為以后磁刺激線圈的設計提供參照和依據(jù)。

1 經(jīng)顱磁刺激線圈

1.1 圓形線圈

圓形線圈如圖1所示，它是臨床和實驗中最常用的并已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的線圈之一。它產(chǎn)生的磁場如圖2（a）所示，圍繞線圈的中心軸呈對稱分布。線圈中心處電場強度為零，圓形線圈電場分布如圖2（b）所示。電場強度的最大值出現(xiàn)在線圈的平均半徑處。實驗數(shù)據(jù)表明，隨著線圈尺寸的增加，線圈的刺激深度增加，但磁場的聚焦性下降［7］。因此在線圈的設計中，應根據(jù)所需要的刺激深度和聚焦性要求，選擇最優(yōu)的線圈尺寸。

圖1 圓形線圈（Magstim）

圖2 圓形線圈產(chǎn)生的磁場和電場分布

1.2 “8”字形線圈

8字形線圈如圖3所示，由兩個共面的通有相反方向電流的圓形線圈組成。它所產(chǎn)生的磁場強度在空間的分布如圖4所示。它產(chǎn)生的電場分布如圖5所示。由圖5可知，8字形線圈產(chǎn)生的電場有兩類峰值：位于兩線圈交界處的主峰和位于兩側的側峰。主峰的幅值約為側峰幅值的兩倍。這一特性使得8字形線圈的聚焦性遠優(yōu)于圓形線圈。所以8字形線圈在實驗和臨床中的到了更廣泛的應用［8-9］。陳勇等人［10］對8字形線圈的一些變形結構所產(chǎn)生的磁場進行了有限元分析，得到了適用于刺激平面區(qū)域和適用于精確刺激目標點的線圈結構。

圖3 8字形線圈（Magstim）

圖4 8字形線圈產(chǎn)生的磁場分布

圖5 8字形線圈產(chǎn)生的電場分布

1.3 3D微分線圈

3D微分線圈如圖6所示，由三部分組成：8字形線圈單元、2個側翼單元、1個底部單元。底部單元位于8字形線圈單元中心處，兩個側翼單元分別位于8字形線圈單元的兩側，且與底部單元共面。8字形線圈單元和底部單元產(chǎn)生用于磁刺激的磁場。兩個側翼單元中通有方向相反的電流，產(chǎn)生的磁場相互疊加，用于阻止磁場在空間的散布，提高聚焦性。與圓形線圈和8字形線圈相比，3D微分線圈產(chǎn)生的磁場的空間分辨率得到了很大的提高［11］。

圖6 3D微分單元

1.4 Slinky線圈

Slinky線圈結構的設計靈感來源于Richard James發(fā)明的機靈鬼（Slinky）螺旋彈簧玩具。Ren等人［12］的研究結果表明，這種特殊的線圈結構所產(chǎn)生的磁場與傳統(tǒng)的線圈相比，具有更好的聚焦性。并且這種線圈的電感很小，這使得磁刺激中線圈消耗的能量大大減?。?3］。Ren及其同事對不同環(huán)數(shù)的Slinky線圈（如圖7所示）進行建模計算，結果發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)數(shù)的增加，線圈產(chǎn)生的電場（如圖8所示）主峰值不斷增加，側峰值相對減小，這使得線圈的聚焦性得到了加強。

圖7 不同環(huán)數(shù)Slinky線圈結構

圖8 不同環(huán)數(shù)Slinky線圈產(chǎn)生的電場分布

1.5 多信道磁刺激線圈

多信道磁刺激線圈由多個小線圈組合而成，每個線圈產(chǎn)生的磁場相互疊加，產(chǎn)生用于磁刺激的磁場。通過調(diào)節(jié)每個線圈中電流的強度和方向，多信道線圈使得磁刺激操作人員可以人為地調(diào)制磁場在空間的三維分布形態(tài)，并且在不移動線圈的情況下改變刺激位置。通過這種方法，操作人員可以借助計算機輔助設備得到期望的磁場分布形態(tài)，并且同時刺激多個目標區(qū)域。小線圈磁場的相互矢量疊加能夠極大的提高磁場的聚焦性。但是多信道線圈存在的一個嚴重缺陷，就是能量的高消耗率和低利用率。大部分的能量或者轉化成了熱量或者儲存在了放電電容中，只有很小一部分傳遞到了所要刺激的目標區(qū)域中［14-16］。

1.6 帶有屏蔽板的8字形線圈

為了提高磁場聚焦性，研究人員設計的帶有屏蔽板的8字形線圈［17］如圖9（a）所示。該屏蔽板如圖9（b）所示，由中央帶有矩形窗口的銅板制作而成。該屏蔽板能阻止在在空間散布的磁場刺激到非目標區(qū)域的神經(jīng)組織，只允許磁場從矩形窗口通過（帶有屏蔽板的線圈磁場分布如圖10所示），刺激靶區(qū)神經(jīng)組織。通過改變矩形窗口的尺寸，便可以得到不同的磁場空間分辨率。屏蔽板的引入極大地提高了磁場的聚焦性。

2 深腦刺激線圈

大量的研究結果表明，大腦的深部區(qū)域?qū)τ谘芯恐委熞钟?、運動障礙和強迫癥等疾病有至關重要的作用［18-21］。普通的線圈產(chǎn)生的電場是距離的函數(shù)，隨著距離的增加，電場強度迅速衰減［22-25］。這使得傳統(tǒng)的經(jīng)顱磁刺激只能局限于大腦皮層表層。雖然通過增加電流的強度能夠提高刺激深度，但目前商業(yè)化的磁刺激器還無法提供如此高強度的電流。而且太高強度的電流會產(chǎn)生難以預料的副作用。因此非常有必要設計專門應用于深腦刺激的線圈結構。

圖9 帶有屏蔽板的8字形線圈結構

圖10 帶有屏蔽板的線圈磁場分布

Roth等人［26-28］設計了H型線圈，并通過理論計算和體模測量來評估其性能。他們的研究結果顯示，H型線圈能夠在不增加電場強度的前提下有效地刺激深腦區(qū)域。特殊的線圈結構和較大的線圈尺寸使得H型線圈產(chǎn)生的電場衰減比較慢，所以它能夠刺激到大腦內(nèi)部5 cm～7 cm的區(qū)域，而且不會產(chǎn)生不適感和其他的不良反應。

一些設計人員提出在線圈中加入高磁導率的鐵芯，這樣可以大大增加磁場的強度，有限元分析結果證實了這種方法的可行性［29］。

另一種深腦刺激線圈：雙錐型線圈如圖11所示。在8字形線圈中兩個圓形線圈共面，而在雙錐型線圈中兩個圓形線圈呈95°。這種特殊的角度設計和較大的線圈尺寸使得雙錐型線圈產(chǎn)生的電場在大腦3 cm～4 cm處仍然能夠保持足夠的刺激強度［30-31］。

圖11 雙錐型線圈（Magstim）

在深腦磁刺激中，神經(jīng)組織中磁場的強度和磁場強度的衰減率與線圈各部分相對于大腦目標區(qū)域表面的方向有很大關系。研究人員使用容積導體研究這種關系的時候，發(fā)現(xiàn)線圈結構中垂直目標組織表面的那部分結構會在組織表面產(chǎn)生電荷，這些電荷的積累反過來又會減弱線圈產(chǎn)生的電場［32-34］。因此在設計深腦刺激線圈的時候要盡量使線圈的各部分結構平行于組織表面，減少線圈中與組織垂直的結構。另外，研究人員在刺激外圍神經(jīng)系統(tǒng)的時候發(fā)現(xiàn)，當磁場沿著神經(jīng)纖維的方向施加刺激時，刺激效果比沿著其他方向要好。

3 結束語

過去的30余年見證了經(jīng)顱磁刺激技術的飛速發(fā)展。今天，經(jīng)顱磁刺激已經(jīng)被廣泛地應用到科學研究和臨床治療領域。目前，磁刺激的研究和應用大多局限于大腦淺層區(qū)域，對深腦區(qū)域以及脊髓的研究相對不足。盡管研究人員已經(jīng)設計出了很多改進型的線圈來彌補傳統(tǒng)線圈的不足，但這些線圈在某些場合中仍然不能提供足夠高的空間分辨率。磁刺激設備儀器的設計改進和優(yōu)化仍然任重而道遠。

（References）：

［1］ MERTON P A，MORTON H B.Stimulation of the cerebral cortex in the intact human subject［J］.Nature，1980（285）：227.

［2］ BARKER A T，JALINOUS R，F(xiàn)REESTON I L.Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex［J］.Lancet，1985（325）：1106-1107.

［3］ 呂 浩，唐勁天.經(jīng)顱磁刺激技術的研究和進展［J］.中國醫(yī)療器械信息，2006，12（5）：28-32.

［4］ 張 新，李建軍.經(jīng)顱磁刺激研究經(jīng)應用進展［J］.中國康復理論與實踐，2006，12（10）：879-882.

［5］ ROSSINI P M，ROSSINI L，F(xiàn)ERRERI F.Brain-behavior relations：transcranial magnetic stimulation：a review［J］.IEEE Eng.Med.Biol.，2010，29（1）：84-96.

［6］ NOLLET H，HAM L V，DEPREZ P，et al.Transcranial magnetic stimulation：review of the technique，basic principles and applications［J］.Vet.J.，2003，166（1）：28-42.

［7］ JALINOUS R.Technical and practical aspect of magnetic nerve stimulation［J］.Journal of Clinical Neurophysiology，1991，8（1）：10-25.

［8］ UENO S，TASHIRO T，HARADA K.Localized stimulation of neuraltissue in the brain by means of a paired configuration of time-varyingmagnetic fields［J］.J.Appl.Phys.，1988，64（10）：5862-5864.

［9］ COHEN L G，ROTH B J，NILSSON J，et al.Effect of coil design on delivery of focal magnetic stimulation：Technical considerations［J］.Electroencephalogr.Clin.Neruophy siol.，1990，75（4）：350-357.

［10］陳 勇，徐桂芝，楊 碩，等.經(jīng)顱磁刺激線圈設計及分析［J］.華北電力大學學報，2005，32（Z1）：98-101.

［11］HSU K H，DURAND D M.A 3D differential coil design for localized magnetic stimulation［C］//Engineering in Medical and Biology Society，Proceedings of the 22ndAnnual International Conference，Chicago，2000：645-648.

［12］REN C，TARJAN P P，POPOVIC D B.A novel electric design for electromagnetic stimulation-the slinky coil［J］.IEEE Trans.Biomed.Eng.，1995，42（9）：918-925.

［13］ZIMMERMANN K P，SIMPSON R K.“Slinky”coils for neuromagneticstimulation［J］.Electroencephalogr.Clin.Neurophysiol.，1996，101（2）：145-152.

［14］RUOHONEN J，ILMONIEMI R.Focusing and targeting of magneticbrain stimulation using multiple coils［J］.Med.Bio.Eng.Comput.，1998,36（3）：297-301.

［15］RUOHONEN J，RAVAZZANI P，GRANDORI F，et al.Theory of multichannel magnetic stimulation：Toward functional neuromuscular rehabilitation［J］.IEEE Trans.on Biomed.Eng.，1999，46（6）：646-651.

［16］JING R，JANSEN B H，SHETH B R，et al.Dynamic multichannel TMS with reconfigurable coil［J］.IEEE T.Neur.Sys.Reh.，2012，21（3）：370-375.

［17］KIM D H，GEORGHIOU G E，WON C.Improved field localization in transcranial magnetic stimulation of the brain with the utilization of a conductive shield plate in the stimulator［J］.IEEE Trans.Biomed.Eng.，2006，53（4）：720-725.

［18］SEMINOWICZ D A，MAYBERG H S，MCINTOSH A R，et al.Limbic frontal circuitry in major depression：a path modeling metanalysis［J］.NeuroImage，2004，22（1）：409-418.

［19］MAYBERG H S，LOZANO A M，VOON V，et al.Deep brain stimulation for treatment-resistant depression［J］.Neuron.，2005，45（5）：651-660.

［20］HARDESTY D E，SACKEIM H A.Deep brain stimulation in movement and psychiatric disorders［J］.Biological Psychiatry，2007，61（7）：831-835.

［21］SARTORIUS A，HENN F A.Deep brain stimulation of the lateralhabenula in treatment resistant major depression［J］.Med.Hypotheses，2007，69（6）：1305-1308.

［22］MACCABEE P J，EBERLE L，AMASSIAN V E，et al.Spatial distribution of the electric field induced involume by round and figure‘8’magnetic coils：Relevance toactivation of sensory nerve fibers［J］.Electroencephalogr.Clin.Neurophysiol.，1990，76（2）：131-141.

［23］TOFTS P S.The distribution of induced currents in magnetic stimulationof the nervous system［J］.Phys.Med.Biol.，1990，35（8）：1119-1128.

［24］TOFTS P S，BRANSTON N M.The measurement of electric field，and theinfluence of surface charge，in magnetic stimulation［J］.Electro.encephalogr.Clin.Neurophysiol.，1991，81（3）：238-239.

［25］EATON H.Electric field induced in a spherical volume conductor fromarbitrary coils：application to magnetic stimulation and MEG［J］.Med.Biol.Eng.Comput.，1992，30（4）：433-440.

［26］ROTH Y，ZANGEN A，MARK H.A coil design for transcranialmagnetic stimulation of deep brain regions［J］.J.Clin.Neurophysiol.，2002，19（4）：361-370.

［27］ZANGEN A，ROTHY，VOLLER B，et al.Transcranial magneticstimulation of deep brain regions：Evidence for efficacy of the H coil［J］.Clin.Neurophysiol.，2005，116（4）：775-779.

［28］ROTH Y，AMIR A，LEVKOVITZ Y，et al.Three dimensionaldistribution of the electric field induced in the brain by transcranialmagnetic stimulation using figure 8 and deep H coils［J］.J.Clin.Neurophysiol.，2007，24（1）：31-38.

［29］SALVADOR R，MIRANDA PC，ROTH Y，et al.Highpermeability core coils for transcranial magnetic stimulation of deepbrain regions［C］//Engineering in Medical and Biology Society，29th Annual International Conference of the IEEE，Lyon，2007：6652-6655.

［30］TERAO Y，UGAWA Y，SAKAI K，et al.Transcranialstimulation of the leg area of motor cortex in humans［J］.Acta.Neurol.Scand.，1994，89（5）：378-383.

［31］STOKIC D S，MCKAY W B，SCOTT L，et al.Intracortical inhibition of lower limb motor-evoked potentialsafter paired transcranial magnetic stimulation［J］.Exp.Brain.Res.，1997，117（3）：437-443.

［32］BRANSTON N M，TOFTS P S.Magnetic stimulation of a volume conductorproduces a negligible component of induced current perpendicularto the surface［J］.J.Physiol-London，1990（423）：67.

［33］BRANSTON N M，TOFTS P S.Analysis of the distribution of currentsinduced by a changing magnetic field in a volume conductor［J］.Phys.Med.Biol.，1991，36（2）：161-168.

［34］COHEN D，CUFFIN B N.Developing a more focal magnetic stimulator.Part I：Some basic principles［J］.J.Clin.Neurophysiol.，1991，8（1）：102-111.