陳福謙，周 軍 ，2*，王永波 ，李麗紅

（1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250061）

0 引 言

早在1980年，Merton等人［1］通過(guò)表面電極，利用瞬時(shí)高壓脈沖電流刺激人體大腦運(yùn)動(dòng)皮層，并在相應(yīng)的部位幾乎同步的檢測(cè)到了運(yùn)動(dòng)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(gè)很大的問(wèn)題，就是這種瞬時(shí)大脈沖電流會(huì)讓人體產(chǎn)生較強(qiáng)的不適感。1985年，Barker和他的同事們［2］首次成功地利用瞬時(shí)大脈沖的外部磁場(chǎng)刺激人體大腦運(yùn)動(dòng)皮層和外圍神經(jīng)。這種非侵入性、無(wú)痛的磁場(chǎng)刺激方法叫做經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）。相對(duì)于電刺激，經(jīng)顱磁刺激更容易實(shí)現(xiàn)腦深部刺激，人體不適感很小且與人體無(wú)接觸［3］。這種技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，便引起了強(qiáng)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(qiáng)有力工具。經(jīng)過(guò)三十余年的發(fā)展，經(jīng)顱磁刺激已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到科學(xué)研究和臨床治療領(lǐng)域，特別是重復(fù)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(jié)了經(jīng)顱磁刺激技術(shù)在未來(lái)臨床應(yīng)用中的3個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)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(rèn)知任務(wù)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(gè)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(chǎng)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(diǎn)，但在需要精確刺激靶點(diǎn)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(chǎng)在空間散布范圍很大，這會(huì)刺激到目標(biāo)區(qū)域以外的神經(jīng)組織，產(chǎn)生無(wú)法預(yù)料的后果。而且線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨著離開(kāi)線圈表面距離的增加迅速衰減，所以無(wú)法對(duì)腦深部神經(jīng)區(qū)域進(jìn)行有效的刺激。為了提高磁場(chǎng)的聚焦性，并實(shí)現(xiàn)深部腦刺激，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了多種線圈的結(jié)構(gòu)。

本研究對(duì)不同的線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，為以后磁刺激線圈的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)中最常用的并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的線圈之一。它產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖2（a）所示，圍繞線圈的中心軸呈對(duì)稱分布。線圈中心處電場(chǎng)強(qiáng)度為零，圓形線圈電場(chǎng)分布如圖2（b）所示。電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在線圈的平均半徑處。實(shí)驗(yàn)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(chǎng)的聚焦性下降［7］。因此在線圈的設(shè)計(jì)中，應(yīng)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(chǎng)和電場(chǎng)分布

1.2 “8”字形線圈

8字形線圈如圖3所示，由兩個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度在空間的分布如圖4所示。它產(chǎn)生的電場(chǎng)分布如圖5所示。由圖5可知，8字形線圈產(chǎn)生的電場(chǎng)有兩類(lèi)峰值：位于兩線圈交界處的主峰和位于兩側(cè)的側(cè)峰。主峰的幅值約為側(cè)峰幅值的兩倍。這一特性使得8字形線圈的聚焦性遠(yuǎn)優(yōu)于圓形線圈。所以8字形線圈在實(shí)驗(yàn)和臨床中的到了更廣泛的應(yīng)用［8-9］。陳勇等人［10］對(duì)8字形線圈的一些變形結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)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(biāo)點(diǎn)的線圈結(jié)構(gòu)。

圖3 8字形線圈（Magstim）

圖4 8字形線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布

圖5 8字形線圈產(chǎn)生的電場(chǎng)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(gè)側(cè)翼單元、1個(gè)底部單元。底部單元位于8字形線圈單元中心處，兩個(gè)側(cè)翼單元分別位于8字形線圈單元的兩側(cè)，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(chǎng)。兩個(gè)側(cè)翼單元中通有方向相反的電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互疊加，用于阻止磁場(chǎng)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(chǎng)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于Richard James發(fā)明的機(jī)靈鬼（Slinky）螺旋彈簧玩具。Ren等人［12］的研究結(jié)果表明，這種特殊的線圈結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(duì)不同環(huán)數(shù)的Slinky線圈（如圖7所示）進(jìn)行建模計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)數(shù)的增加，線圈產(chǎn)生的電場(chǎng)（如圖8所示）主峰值不斷增加，側(cè)峰值相對(duì)減小，這使得線圈的聚焦性得到了加強(qiáng)。

圖7 不同環(huán)數(shù)Slinky線圈結(jié)構(gòu)

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

1.5 多信道磁刺激線圈

多信道磁刺激線圈由多個(gè)小線圈組合而成，每個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互疊加，產(chǎn)生用于磁刺激的磁場(chǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)線圈中電流的強(qiáng)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(chǎng)在空間的三維分布形態(tài)，并且在不移動(dòng)線圈的情況下改變刺激位置。通過(guò)這種方法，操作人員可以借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備得到期望的磁場(chǎng)分布形態(tài)，并且同時(shí)刺激多個(gè)目標(biāo)區(qū)域。小線圈磁場(chǎng)的相互矢量疊加能夠極大的提高磁場(chǎng)的聚焦性。但是多信道線圈存在的一個(gè)嚴(yán)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(zhuǎn)化成了熱量或者儲(chǔ)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(biāo)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(chǎng)聚焦性，研究人員設(shè)計(jì)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(chǎng)刺激到非目標(biāo)區(qū)域的神經(jīng)組織，只允許磁場(chǎng)從矩形窗口通過(guò)（帶有屏蔽板的線圈磁場(chǎng)分布如圖10所示），刺激靶區(qū)神經(jīng)組織。通過(guò)改變矩形窗口的尺寸，便可以得到不同的磁場(chǎng)空間分辨率。屏蔽板的引入極大地提高了磁場(chǎng)的聚焦性。

2 深腦刺激線圈

大量的研究結(jié)果表明，大腦的深部區(qū)域?qū)τ谘芯恐委熞钟?、運(yùn)動(dòng)障礙和強(qiáng)迫癥等疾病有至關(guān)重要的作用［18-21］。普通的線圈產(chǎn)生的電場(chǎng)是距離的函數(shù)，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)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(guò)增加電流的強(qiáng)度能夠提高刺激深度，但目前商業(yè)化的磁刺激器還無(wú)法提供如此高強(qiáng)度的電流。而且太高強(qiáng)度的電流會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)料的副作用。因此非常有必要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于深腦刺激的線圈結(jié)構(gòu)。

圖9 帶有屏蔽板的8字形線圈結(jié)構(gòu)

圖10 帶有屏蔽板的線圈磁場(chǎng)分布

Roth等人［26-28］設(shè)計(jì)了H型線圈，并通過(guò)理論計(jì)算和體模測(cè)量來(lái)評(píng)估其性能。他們的研究結(jié)果顯示，H型線圈能夠在不增加電場(chǎng)強(qiáng)度的前提下有效地刺激深腦區(qū)域。特殊的線圈結(jié)構(gòu)和較大的線圈尺寸使得H型線圈產(chǎn)生的電場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生不適感和其他的不良反應(yīng)。

一些設(shè)計(jì)人員提出在線圈中加入高磁導(dǎo)率的鐵芯，這樣可以大大增加磁場(chǎng)的強(qiáng)度，有限元分析結(jié)果證實(shí)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(gè)圓形線圈共面，而在雙錐型線圈中兩個(gè)圓形線圈呈95°。這種特殊的角度設(shè)計(jì)和較大的線圈尺寸使得雙錐型線圈產(chǎn)生的電場(chǎng)在大腦3 cm～4 cm處仍然能夠保持足夠的刺激強(qiáng)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(chǎng)的強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減率與線圈各部分相對(duì)于大腦目標(biāo)區(qū)域表面的方向有很大關(guān)系。研究人員使用容積導(dǎo)體研究這種關(guān)系的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)線圈結(jié)構(gòu)中垂直目標(biāo)組織表面的那部分結(jié)構(gòu)會(huì)在組織表面產(chǎn)生電荷，這些電荷的積累反過(guò)來(lái)又會(huì)減弱線圈產(chǎn)生的電場(chǎng)［32-34］。因此在設(shè)計(jì)深腦刺激線圈的時(shí)候要盡量使線圈的各部分結(jié)構(gòu)平行于組織表面，減少線圈中與組織垂直的結(jié)構(gòu)。另外，研究人員在刺激外圍神經(jīng)系統(tǒng)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)沿著神經(jīng)纖維的方向施加刺激時(shí)，刺激效果比沿著其他方向要好。

3 結(jié)束語(yǔ)

過(guò)去的30余年見(jiàn)證了經(jīng)顱磁刺激技術(shù)的飛速發(fā)展。今天，經(jīng)顱磁刺激已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到科學(xué)研究和臨床治療領(lǐng)域。目前，磁刺激的研究和應(yīng)用大多局限于大腦淺層區(qū)域，對(duì)深腦區(qū)域以及脊髓的研究相對(duì)不足。盡管研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出了很多改進(jìn)型的線圈來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)線圈的不足，但這些線圈在某些場(chǎng)合中仍然不能提供足夠高的空間分辨率。磁刺激設(shè)備儀器的設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化仍然任重而道遠(yuǎn)。

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