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        經(jīng)顱磁刺激參數(shù)與結(jié)構(gòu)要件的影響分析

        2014-11-14 07:10:38楊龍成陸繼慶
        生物信息學(xué) 2014年1期
        關(guān)鍵詞:脈沖電流感應(yīng)電流鐵芯

        楊龍成,陸繼慶

        (成都信息工程學(xué)院,四川 成都610225)

        近幾十年來(lái),學(xué)術(shù)界對(duì)磁刺激技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用做了大量的研究和報(bào)道,在經(jīng)顱磁刺激的作用機(jī)理、激勵(lì)系統(tǒng)的研制以及臨床應(yīng)用等各方面都取得了很大的進(jìn)展,但是仍存在很多未解決的問(wèn)題。現(xiàn)有的激勵(lì)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率低,所需能量比較大,體積大,不方便攜帶[1],改進(jìn)或者研制出新的激勵(lì)源迫在眉睫。為此對(duì)經(jīng)顱磁刺激的工作機(jī)理及作用效果的研究一直是TMS技術(shù)研究者不斷努力的方向[2]。很多研究文獻(xiàn)表明,線圈的形狀、放置位置及其纏繞導(dǎo)線的參數(shù)、激勵(lì)系統(tǒng)的磁場(chǎng)脈沖強(qiáng)度等都是影響經(jīng)顱磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)作用效果的因素[3-5],所以研究和探索經(jīng)顱磁刺激參數(shù)及結(jié)構(gòu)要件的影響是研究TMS的重要工作。

        針對(duì)以上經(jīng)顱磁刺激發(fā)展的不足,本文建立了大腦-線圈和大腦-線圈-鐵芯兩種TMS模型,前者用來(lái)討論線圈中分別注入恒定電流和脈沖電流時(shí)TMS磁場(chǎng)及感應(yīng)電流的分布特性,線圈半徑及線圈激勵(lì)電流特性對(duì)TMS模型頭部感應(yīng)電流分布的影響;后者用來(lái)分析線圈中加入鐵芯后TMS電磁場(chǎng)的分布情況等。用于指導(dǎo)刺激線圈參數(shù)及激勵(lì)源電路參數(shù)的設(shè)置,甚至探索新的激勵(lì)源制作。

        1 經(jīng)顱磁刺激原理

        TMS是一種基于脈沖磁場(chǎng)的,無(wú)電極的,影響腦部活動(dòng)的外界刺激方式。它利用快速變化的電流在刺激線圈中感應(yīng)出一次脈沖磁場(chǎng),無(wú)痛的穿透皮膚和頭骨,在穿透處附近感應(yīng)出微小電流(即是二次磁場(chǎng)),使腦部特定區(qū)域興奮[6]。經(jīng)顱磁刺激利用細(xì)胞的電位差特性,將線圈放置在頭部刺激目標(biāo)區(qū)域外界適當(dāng)空間位置,給線圈注入有快速變化率的脈沖電流,脈沖電流產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)進(jìn)入頭部,在頭部各組織感應(yīng)出電流,組織細(xì)胞的電位差疊加感應(yīng)出電場(chǎng),達(dá)到細(xì)胞去極化電位,可興奮組織被激活,磁刺激被實(shí)現(xiàn)。如圖1所示為理想TMS單線圈計(jì)算模型空間位置示意圖。

        圖1 單線圈磁刺激計(jì)算模型Fig.1 TMS model of single coil for calculation

        若人體被刺激組織在坐標(biāo)軸Z>0象限,激勵(lì)線圈平行放置在XOY平面下方Z=-R平面,規(guī)定逆時(shí)針為注入線圈電流正方向。若注入線圈的電流為I(t),由Biot-Savart定律和線圈幾何位置可推導(dǎo)出,理想刺激條件下,受刺激組織內(nèi)任一點(diǎn)P(x,y,z),磁場(chǎng)如式(1)所示,電磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為式(2)。

        圖1中線圈半徑為a,θ為坐標(biāo)原點(diǎn)向量與向量( -a·cosθ,-a·sinθ,0)之間的夾角。式(1)和(2)中各參數(shù)意義如下:ur表示線圈相對(duì)磁導(dǎo)率,u0表示真空的磁導(dǎo)率,I(t)d表示線圈任一點(diǎn)的電流元表示線圈電流元指向計(jì)算點(diǎn)P(x,y,z)的矢量。為P點(diǎn)的磁矢勢(shì)。從式(1)可知磁場(chǎng)強(qiáng)度與線圈電流的大小成正比,式(2)顯示接受刺激組織相對(duì)磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率ur,u0,注入線圈電流的變化率及線圈矢量d的積分密切相關(guān)。本文在上述理論基礎(chǔ)上用CST軟件建立了真實(shí)TMS激勵(lì)線圈,并討論其電磁場(chǎng)分布與研究其影響因素。

        2 經(jīng)顱磁刺激電磁場(chǎng)分析

        本文建立三層同心球TMS模型,球頭模型[7]從外向內(nèi)依次為頭皮,顱骨,大腦皮層。根據(jù)表1兩種模型各參數(shù)值及設(shè)置的主要計(jì)算條件建立圖2模型。

        表1 TMS模型參數(shù)值和計(jì)算條件Tabel1 TMS model of parameter values and calculation condition

        圖2 TMS模型Fig.2 TMS model

        2.1 模型線圈分別注入恒定電流和脈沖電流時(shí)TMS磁場(chǎng)分析

        恒流信號(hào)幅值大小1 A;脈沖信號(hào)脈沖電流幅值1 A,脈寬約為 1.0 us,上升沿持續(xù)時(shí)間約為 0.1 us,下降沿持續(xù)時(shí)間約為1.0 us。如圖3(a)和(b)所示。

        圖3 不同電流信號(hào)Fig.3 Different current signal

        線圈注入恒流電流時(shí),選取在5e-8s的時(shí)刻模型X=0剖面觀察頭部各層B場(chǎng)分布如圖4所示。

        仿真開(kāi)始延時(shí)0.9e-6 s后,給線圈注入脈沖電流,總仿真時(shí)間為4.0e-6 s,仿真取樣點(diǎn)總數(shù)為500(包含延時(shí)時(shí)間)。圖5選取幾個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)刻的B場(chǎng)分布。

        對(duì)比圖4與圖5可知脈沖信號(hào)每一時(shí)刻的磁場(chǎng)分布與恒定電流磁場(chǎng)分布大致相同,只是磁場(chǎng)強(qiáng)弱不同。所以仿真過(guò)程中我們用恒定電流的磁場(chǎng)分布來(lái)分析脈沖電流下TMS磁場(chǎng)分布情況。

        圖4 頭部各層B場(chǎng)分布Fig.4 B field distribution in each layer

        圖5 大腦-線圈模型線圈注入圖3(b)脈沖電流時(shí)X=0剖面不同時(shí)刻B場(chǎng)分布Fig.5 in each layer B field distribution on X=0 plane atdifferent time for model of brain -coil When injection pulse current

        2.2 線圈半徑對(duì)TMS感應(yīng)電流分布的影響

        線圈的特性是影響TMS電磁場(chǎng)分布的主要因素之一,下面主要討論線圈的半徑對(duì)TMS感應(yīng)電流分布的影響,從而得出其對(duì)刺激的影響。選取表2所示的幾組參數(shù),圖6為大腦-線圈模型線圈中注入脈沖電流時(shí)的感應(yīng)電流分布情況,仿真中線圈匝數(shù)是200匝。

        表2 線圈半徑Tabel 2 radius of coils

        圖6 不同線圈半徑時(shí)感應(yīng)電流分布Fig.6 the induced current distribution for different radius of coil

        (a),(b),(c),(d)為四組參數(shù)下 X=0 剖面感應(yīng)電流分布。由圖可得不同線圈半徑下感應(yīng)電流密度最大值變化不大,但線圈半徑越大刺激的深度和相應(yīng)深度的強(qiáng)度也越大。

        2.3 脈沖信號(hào)特性對(duì)TMS感應(yīng)電流分布的影響

        選取如圖7兩個(gè)幅值均約為320 A但脈寬不同的脈沖信號(hào)及圖4(b)所示的信號(hào)作為研究過(guò)程中的脈沖對(duì)比信號(hào)。(a),(b)上升沿分別約為100 us,10 us;下降沿分別約為 400 us,40 us。

        圖7 不同脈沖信號(hào)Fig.7 Different pulse signal

        圖8 不同信號(hào)下的感應(yīng)電流分布Fig.8 The induced current distribution under different signal

        從圖8看出,兩種脈沖信號(hào)均達(dá)到刺激效果,但信號(hào)1最大感應(yīng)電流值比信號(hào)2大。對(duì)比可得出這樣的結(jié)論,幅值相同脈寬不同的脈沖信號(hào),窄脈沖無(wú)論在電流密度的大小還是能量都比寬脈沖好。同時(shí)將圖8與圖5比較,線圈注入圖3(b)所示電流時(shí),感應(yīng)電流最強(qiáng)時(shí)刻電流密度最大值達(dá)416.787 A/m2,注入圖7(a)所示電流時(shí),感應(yīng)電流最強(qiáng)時(shí)刻電流密度最大值達(dá)2 146.86 A/m2,注入圖7(b)所示電流時(shí),感應(yīng)電流最強(qiáng)時(shí)刻電流密度最大值達(dá)216.933 A/m2。圖7(a)所示電流脈寬是圖7(b)所示電流10倍,相應(yīng)的整個(gè)仿真過(guò)程中,前者產(chǎn)生的感應(yīng)電流最強(qiáng)時(shí)刻,電流密度最大值也是后者的10倍。圖3(b)所示電流脈寬和幅值都遠(yuǎn)小于圖7(b)所示電流,但其感應(yīng)電流密度最大值約是后者2倍。結(jié)合上述分析可知,幅值小,脈寬窄的電流與幅值大,脈寬大的電流注入線圈后,適當(dāng)調(diào)整電流特性,在TMS模型頭部?jī)?nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流能達(dá)到相同的分布和數(shù)值大小。

        2.4 鐵芯對(duì)TMS頭部感應(yīng)電流的影響

        研究鐵芯對(duì)TMS電磁場(chǎng)影響使用圖2(b)所示模型。選圖5(b)與圖9(b)有對(duì)比性的兩種線圈激勵(lì)源。圖9,圖10為線圈中分別注入圖3(b),圖7(b)所示電流時(shí)兩種模型感應(yīng)電流分布。

        圖9 線圈中注入圖7(b)所示電流時(shí)兩種模型感應(yīng)電流分布Fig.9 The induced current distribution for two models when coils injected current shown in fig.7(b)

        圖10 線圈中注入圖7(b)所示電流時(shí)兩種模型感應(yīng)電流分布Fig.10 The induced current distribution for two models when coils injected current shown in fig.7(b)

        由圖9(a),(b)可見(jiàn),線圈中加入鐵芯后,TMS頭部三層組織內(nèi)感應(yīng)電流的分布規(guī)則與線圈中無(wú)鐵芯時(shí)相同;但同平面大腦皮層感應(yīng)電流分布區(qū)域減小。線圈中加入鐵芯后,感應(yīng)電流分布在更集中的區(qū)域內(nèi)。圖10(a),(b)線圈注入圖7(b)所示電流時(shí),Z=6平面感應(yīng)電流分布特性結(jié)論相同。

        從圖9(c),(d)及圖 10(c),(d)可看出,線圈中加入鐵芯后刺激的深度基本無(wú)變化,但從感應(yīng)電流密度最大值看出,鐵芯大大的削弱了刺激的強(qiáng)度。且重點(diǎn)對(duì)比分析線圈注入圖3(b)所示電流,表明利用電流快速變化率的優(yōu)勢(shì)可達(dá)到與具有幅值大,脈寬大的脈沖電流相同的刺激效果。但鐵芯大大減小了小電流窄脈沖的這種優(yōu)勢(shì)。從加入鐵芯前和加入鐵芯后兩類電流的感應(yīng)電流分布可清楚的看出鐵芯的這種影響,其原因可能是鐵芯的磁滯影響小電流窄脈沖的電流變化率。

        3 結(jié)論

        對(duì)比分析表明,線圈中注入脈沖電流時(shí),恒定電流下TMS頭部?jī)?nèi)磁場(chǎng)的分布與脈沖電流下TMS頭部某時(shí)刻的磁場(chǎng)分布規(guī)律一致;線圈的半徑在與大腦可比尺寸范圍內(nèi)越大,越有利于加強(qiáng)刺激的強(qiáng)度和深度;幅值大,脈沖寬的電流與幅值小,脈寬窄的電流可達(dá)到相同的刺激效果,刺激時(shí)可考慮用后者代替前者,這樣刺激更安全且線圈激勵(lì)源硬件電路更易實(shí)現(xiàn);鐵芯使TMS頭部?jī)?nèi)感應(yīng)電流分布在更集中的區(qū)域,但減小了刺激的強(qiáng)度,削弱了具有幅值小,脈寬窄性質(zhì)的脈沖電流利用電流變化率來(lái)得到更強(qiáng)的感應(yīng)電流這一優(yōu)勢(shì)。該分析對(duì)于指導(dǎo)刺激線圈參數(shù)及激勵(lì)源電路參數(shù)的設(shè)置,設(shè)計(jì)新的激勵(lì)源制作具有理論價(jià)值與實(shí)際操作的指導(dǎo)意義。

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