經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置*

李凌波，尚振東,△，趙瑞兄，劉春陽,，胡志剛

(1.河南科技大學機電工程學院，洛陽 471003；2.河南省機械設計及傳動系統(tǒng)重點實驗室，洛陽 471003； 3.河南省國測計量研究院有限公司，鄭州 450001)

引言

經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation ，TMS)是一種基于法拉第電磁感應效應的無創(chuàng)生物刺激技術[1-3]。該技術利用時變磁場作用于顱腦皮質產(chǎn)生感應電流，改變皮質神經(jīng)細胞的動作電位，從而影響腦內(nèi)的代謝活動和神經(jīng)電活動[4-10]。目前已被廣泛運用于治療抑郁癥、精神分裂癥、強迫癥、脊髓損傷、帕金森病、癲癇、腦卒中后康復、外周神經(jīng)康復、神經(jīng)性疼痛、創(chuàng)傷后應激障礙等疾病[11-16]。

大腦分額葉區(qū)、頂葉區(qū)、枕葉區(qū)、顳葉區(qū)和小腦，每個部位都有不同的功能，不同的腦部疾病對應著不同的病變部位。若臨床應用TMS時錯誤刺激了顱腦部位，會導致治療作用的不穩(wěn)定[17]，部分患者會出現(xiàn)不良反應甚至出現(xiàn)暈厥[18]等。因此，在應用TMS治療腦部疾病的臨床實踐中，存在同一患者的不同治療階段，或者同一臺儀器治療不同患者時，經(jīng)常需要調整腦部刺激部位。手持刺激線圈、多自由度支架、控制線圈陣列勵磁電流、神經(jīng)導航定位技術等可在一定程度上滿足該需求[19-23]，但均存在自動化、集成化、適應性和經(jīng)濟性方面的問題。針對能否采用機械電子裝置通過自動調整刺激線圈的位姿，進而改變TMS刺激顱腦部位的問題，本研究提出了一種經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置的設計方案，并進行了有限元仿真分析。

1 線圈位姿調整裝置

1.1 結構與應用

經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置結構見圖1，包括支撐桿、步進電機、齒輪、圓柱齒條、長傘骨、短傘骨、傘骨支架、刺激線圈等。由支撐桿通過球形鉸鏈與傘骨支架連接，傘骨支架的下部通過鉸鏈與5個長傘骨連接，傘骨支架的外側固定步進電機，步進電機輸出軸上安裝齒輪，齒輪與安裝于傘骨支架中心孔內(nèi)的圓柱齒條配合，圓柱齒條(見圖2)的下端通過鉸鏈與短傘骨連接，短傘骨通過鉸鏈與長傘骨連接，長傘骨的下端固定刺激線圈，導線通過支撐桿、傘骨支架、圓柱齒條的中心孔穿過，沿短傘骨和長傘骨與刺激線圈連接。

圖1 線圈位姿調整裝置結構示意圖

經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置的應用見圖3。步進電機(選用的35步進電機)帶動齒輪與圓柱齒條嚙合，從而使圓柱齒條相對于傘骨支架發(fā)生位置移動，進而改變刺激線圈相對于受試者顱腦的距離以及角度。當中央控制器控制步進電機正轉時，使傘骨支架上升，傘骨與傘軸之間的夾角會逐步增大，帶動刺激線圈與受試者顱腦的距離逐步增加；當中央控制器控制步進電機反轉時，使傘骨支架向下移動，傘骨與傘軸支間的夾角會慢慢變小，此時經(jīng)顱磁刺激線圈所產(chǎn)生的感應磁場的聚焦點會隨之往上方移動，從而實現(xiàn)了刺激線圈相對于受試者顱腦位置的可控性。傘帽處的球鉸機構，可以使整個磁場輸出裝置隨意轉動。

圖2 圓柱齒條

圖3 線圈位姿調整裝置應用示意圖

1.2 刺激線圈定位距離

根據(jù)前述線圈位姿調整裝置的結構與應用，可以計算出控制步進電機的脈沖數(shù)與刺激線圈定位距離間的關系。

假設處于所有位置的刺激線圈中心共面且平行于水平面，其中當圓柱齒條處于其可調節(jié)范圍的中點U時刺激線圈中心平面為P；當患者以坐姿治療時，假設其上半身的縱軸(矢狀面與額狀面的交線)與線圈位姿調整裝置傘骨支架中心線重合。定義患者上半身的縱軸為z軸，豎直向上為正；平面P與z軸交點為原點O；平面P與矢狀面交線為x軸，指向人體前方為正；平面P與額狀面交線為y軸，指向人體右方為正，見圖4。

圖4 經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置結構簡圖

考慮到由支撐桿與傘骨支架通過球形鉸鏈連接，線圈位姿調整裝置可以繞z軸旋轉。不失一般性，令某線圈Q中心點處于x軸正半軸，見圖4。用半徑為R的圓模擬顱腦截面。圓柱齒條可移動范圍中點U到長傘骨與z軸交點S距離為h，到坐標原點O的距離為j。另外，長傘骨長度為l=l1+l2，短傘骨長度為m，長傘骨與z軸之間的夾角為α。步進電機接收一個脈沖轉過一個步距角，通過齒輪帶動圓柱齒條移動距離為Δh(根據(jù)結構參數(shù)計算為0.157 mm)。指定電機正轉帶動圓柱齒條向上移動為正，反之為負。當圓柱齒條處于其可移動范圍的中點，在其可移動范圍內(nèi)，當步進電機接收n個脈沖，圓柱齒條移動距離為±nΔh，根據(jù)余弦定理，有：

(1)

得：

(2)

則長傘骨與傘軸之間的夾角為：

(3)

線圈Q距z軸的距離，即Q點的x坐標為：

Qx=lsinα=(l1+l2)sinα

(4)

線圈Q距x軸的距離，即Q點的z坐標為：

Qz=h+j-lcosα=h+j-(l1+l2)cosα

(5)

線圈Q圓心距顱腦的距離L為：

(6)

結合結構參數(shù)，根據(jù)步進電機正反轉和接收的脈沖數(shù)n，即可通過式(1)—(6)計算出刺激線圈中心距離顱腦外沿的距離L。

2 建模與仿真

為了驗證本研究設計方案是否能夠通過調節(jié)刺激線圈的空間位姿，實現(xiàn)對不同患者的刺激部位的自動調節(jié)，達到精準治療的目的，建立線圈和人腦有限元模型，仿真分析在刺激電參數(shù)相同、機械結構參數(shù)不同條件下，刺激線圈對于顱腦產(chǎn)生的磁場分布[24-26]。

2.1 刺激線圈建模

刺激線圈模型選擇蚊香型圓形線圈，由邊長均為0.1 mm的方形導體繞制30匝而成，內(nèi)半徑為14 mm，每匝線圈半徑增長為0.15 mm，外半徑為18.5 mm，刺激線圈材料選擇為銅。

根據(jù)經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置的設計方案，采用5個刺激線圈構成線圈陣列，均勻分布在顱腦外側，且線圈中心距對應顱腦切面位置的角度、垂直距離均相同，見圖5。

五個線圈均勻分布在顱腦周圍，因此，可以確定各個線圈的中心坐標具體位置：

根據(jù)以上公式,得到各個線圈中心坐標在以球形顱腦中心為坐標原點的坐標系中的具體位置，從而建立的仿真模型,見圖5。

圖5 線圈陣列分布

圖6 四層同心球顱腦模型

2.2 顱腦模型

為了觀察刺激線圈在不同位置下對于顱腦的刺激部位，參考熊慧等[26]提出的顱腦模型，利用ANSYS Electronics 2020R1，建立的四層同心球顱腦模型(見圖6)，將人體顱腦分為大腦、腦脊液、顱骨、頭皮四層，每層的半徑分別為84、86、94、100 mm，分別對其進行材料屬性定義，相對磁導率均設為1 H/m，相對電導率分別設為0.33、1、0.042、0.33 S/m。

2.3 仿真

基于前述構建的模型，選定刺激線圈的五個不同定點位置，分別記為T_1、T_2、T_3、T_4、T_5，進行靜態(tài)磁場仿真實驗。每個定點距離頭部位置及與顱腦所成角度,見表1。隨著刺激線圈距顱腦距離的增加，與顱腦的夾角逐漸減小。分別給每個線圈加入方向相同、大小為2 100安匝的電流，并對模型設置邊界條件和網(wǎng)格剖分后，進行有限元計算分析。

表1 刺激線圈距顱腦距離及夾角參數(shù)

3 仿真結果及分析

根據(jù)有限元分析軟件ANSYS Electronics 2020R1的計算分析，可以得到刺激線圈與顱腦呈不同位姿情況下所產(chǎn)生磁場在顱腦的分布情況，見圖7。

圖7 刺激線圈位置參數(shù)不同時的磁場分布

圖7為經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置的圓柱齒條處于不同位置時在頭皮層產(chǎn)生的磁場分布。圖7(a)對應圓柱齒條處于最下方位置，可以看出,此時頭皮層的磁場分布面積最小，僅覆蓋正對線圈部分不互連的區(qū)域；隨著圓柱齒條上移，刺激線圈與顱腦相對位姿改變，作用于頭皮層的磁場面積在圖7(b)、(c)逐步擴大和互連，圖7(d)的頭皮層的磁場面積到達最大值，線圈所對部位形成環(huán)狀強磁場區(qū)域；隨后，隨著圓柱齒條繼續(xù)上移，作用于頭皮層的磁場面積逐步縮小，圖7(e)為圓柱齒條處于最上方位置時的情況。

由圖7可知，通過驅動經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置，上下移動圓柱齒條，調節(jié)線圈的位姿，可以方便地自動調節(jié)顱腦刺激部位。

4 結論

本研究設計了一種經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置，用來控制和改變刺激線圈相對于受試者顱腦的距離和姿態(tài)，從而改變刺激部位，提高治療的精準性。首先，設計了線圈位姿調整裝置機械結構，建立了位姿調整裝置刺激線圈與顱腦的仿真模型，并對刺激線圈距顱腦不同距離的磁刺激進行了有限元仿真分析。結果表明，在相同的刺激參數(shù)下，通過經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置，改變刺激線圈與顱腦的位置姿態(tài)，可以有效改變刺激部位。該結果驗證了本研究設計的經(jīng)顱磁刺激儀線圈位姿調整裝置的可行性。

本研究設計的線圈位姿調整裝置與通過手持刺激線圈相比，增加了治療的自動化，減輕了醫(yī)護人員壓力；與以多自由度支架放置于被試頭皮表面以實施刺激方式相比較，針對性和自動化程度更強，便于實現(xiàn)與其他部件一體化；與采用密集均布線圈，并通過控制線圈電流通斷及大小的方法相比較，在同樣情況下，可以更加靈活地采用不同規(guī)格的線圈，以將更合適的磁場精準作用于特定的部位；與神經(jīng)導航定位技術相比較經(jīng)濟性較好。