蘇州醫工所楊曉冬團隊提出一種用于經顱磁刺激的鐵芯線圈優化設計

作者:徐雅潔 時間:2022-04-13

  經顱磁刺激現已廣泛應用于心理認知科學、神經精神類疾病等領域的臨床實驗和研究中。經顱磁刺激設備中,刺激線圈的設計在顱內電場的形成過程中起著至關重要的作用。磁刺激線圈在大腦中產生的誘發電場需要達到一定的閾值才能達到刺激的目的。由于線圈表面磁場隨著離線圈距離的變大迅速衰減,為了保證靶區電場刺激強度,線圈需要通以大電流,一般在數千個安培以上。在線圈中引入鐵磁材料可輔助提高線圈誘發電場值,降低電流需求,但在實際使用過程中,鐵芯帶來的線圈的重量是一個不可忽視的問題,且位置對電磁場分布的影響也需要進一步探討。目前鐵芯大小、位置對于刺激線圈性能的影響尚未有文獻研究。 

  針對此需求,蘇州醫工所楊曉冬桌面磁共振波譜組提出一種基于鐵芯改進的經顱磁刺激線圈結構。針對最常用的8字形線圈及slinky線圈引入鐵芯,分析鐵芯位置、大小對結構線圈的性能改善,通過改變線圈中鐵芯的填充因子及鐵芯在線圈中的位置,得出鐵芯線圈誘發電場最大值、刺激深度、聚焦性及鐵芯功耗的比較結果,為不同情況下在線圈中添加鐵芯的方法給出參考。根據合成的品質因數,填充系數為0.4,鐵芯靠近線圈的內側時,兩種鐵芯線圈的總體性能最佳。最后加工設計的三個線圈模型進行測試,結果證明電感、磁場檢測結果與仿真結果吻合良好。 

  文章提出的基于8字型線圈和slinky基本結構的鐵芯線圈系統優化方法可用于改善鐵芯經顱磁刺激線圈性能,降低功耗要求,并指導其他類型鐵芯經顱磁刺激線圈的設計。下一步,團隊將基于此優化的鐵芯線圈結構,進行介質中和在體的電場測試,促進研究成果在人體經顱磁刺激物理調控中的應用。 

  相關的研究成果以題為“Optimal Design of Transcranial Magnetic Stimulation Coil with Iron Core”發表在期刊Journal of Neural Engineering上,第一作者為徐雅潔,蘇州市廣濟醫院顧衛國主任,溫州市人民醫院余穎聰院長為共同通訊作者。 

  論文鏈接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-2552/ac65b3DOI: https://doi.org/10.1088/1741-2552/ac65b3 

  1 slinky鐵芯線圈,a)無鐵芯;b)填充因數為0.4的鐵芯線圈;c)填充因數為1的鐵芯線圈。 

 2 不同填充因子的鐵芯線圈實測和仿真數據對比 

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