便携式经颅磁刺激仪的技术进展

杨春林，蒋振洲，吴书峰，李小俚

1.燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛066004；2.北京师范大学 认知神经科学与学习国家重点实验室，北京100875

便携式经颅磁刺激仪的技术进展

杨春林1，蒋振洲1，吴书峰1，李小俚2

1.燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛066004；2.北京师范大学 认知神经科学与学习国家重点实验室，北京100875

栏目主编：李小俚

李小俚，博士，二级教授和博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，德国洪堡学者、教育部新世纪优秀人才支持计划获得者和河北杰出青年科学基金获得者。现任北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室副主任，北京脑重大疾病防治研究院特聘专家。且1998年4月至2009年6月，先后在香港城市大学、德国汉诺威大学、香港中文大学和英国伯明翰大学从事科研工作。主要从事神经信息与工程、自动智能状态监控、微弱信号检测与信号处理等领域的研究工作。至今在国际期刊上发表论文150多篇，SCI收录145篇。

经颅磁刺激技术作为一种脑调控技术，已经被证明可以有效地应用于脑功能检测、心理和神经疾病的诊断与治疗，目前在临床诊疗及康复领域得到越来越多的应用。而现有的经颅磁刺激仪大多体积庞大、价格昂贵，难以满足日益增长的家庭和社区医疗服务的需求，为此，便携式经颅磁刺激仪得到越来越多的关注。便携式经颅磁刺激仪也取得了长足的进步，本文将为大家介绍便携式经颅磁刺激仪的技术进展。

经颅磁刺激；便携式；脑调控

1 经颅磁刺激技术的基本原理与应用

经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）的基本原理是把一个绝缘线圈放在头皮特定部位上，通过控制与线圈接通电容器的快速导通与关断，在线圈中产生高强度脉冲电流，进而在线圈周围产生一个强有力而短暂的脉冲磁场，磁场穿过皮肤、软组织和颅骨，在大脑神经组织中产生感应电流，当感应电流超过神经组织兴奋阈值时，引起神经细胞去极化并产生诱发电位，从而产生生理效应。其最终效应既可以引起暂时的大脑功能兴奋或抑制，也可引起长时程的皮质可塑性调节[1]。

由于生物组织导磁率基本均匀，磁场容易透过皮肤和骨头到达深部组织，既生物组织本身基本上不会使磁场产生衰减，因而磁刺激可无创伤地应用于深部神经刺激；皮肤和骨头电阻率大，而感生电流与组织电阻率成反比，因此磁刺激时只有微小电流通过皮肤，基本无不适感；磁刺激线圈不与身体有任何接触，不需对皮肤进行任何预处理就可以直接刺激，机体与外界无电气联系，电安全性好[1-2]。

经过二十多年的研究与临床应用，经颅磁刺激已经被证明在治疗帕金森病、癫痫及相关运动障碍、抑郁症及情绪障碍、脑卒中、精神分裂症以及慢性痛等疾病有着广泛的应用前景[3-4]。最新的一些研究表明经颅磁刺激在一些新的领域也有应用价值，如改善人的记忆[5]，对烟瘾、酒瘾以及毒瘾的治疗[6-7]。

2 经颅磁刺激技术的发展

TMS技术起源于1985年Barker等[8]研发出第一台现代经颅磁刺激仪，由于当时技术条件所限，他们研制出的经颅磁刺激仪只能进行单脉冲刺激。Pascual-Leone等[9]首次提出了重复经颅磁刺激（rTMS），并由美国的Cadwell公司首先生产出来。近些年，Peterchev等[10-11]通过利用IGBT替换常用的可控硅作为控制开关，研制出了脉冲宽度可调控的经颅磁刺激仪，将经颅磁刺激仪的研制推向了一个新的阶段。国外对于经颅磁刺激技术的研究起步早，在经颅磁刺激仪器方面，已经出现多种技术成熟、设计优良的经颅磁刺激仪，如英国Magsim公司的200系列、BiStim系列、Rapid系列，美国Medtronic公司（原丹麦的DANTEC）生产系列设备。经颅磁刺激技术进入国内时间较晚，目前武汉依瑞德公司已经成功的实现了经颅磁刺激仪器的研制与商品化生产。

3 便携式经颅磁刺激仪

随着研究的不断深入，经颅磁刺激仪的应用的领域越来越广泛，而现有的经颅磁刺激仪设备大多体积庞大、价格昂贵，一般只有大型医院才能配备，患者必须到医院才能接受治疗。为了满足家庭和社区医疗服务的需要，需要研发一种体积小、重量轻、价格较低的经颅磁刺激仪，研发人员很早开始关注便携式经颅磁刺激仪，但由于关键技术的限制，便携式经颅磁刺激仪一直未有大的进展，最近几年技术不断进步[12-13]，以美国eNeura（Neuralieve）公司为代表的一些研发机构[14-15]，已开始研发便携式经颅磁刺激仪。

4 便携式经颅磁刺激仪的关键技术及发展现状

经颅磁刺激技术是一种能量转换技术。经颅磁刺激仪工作过程中，能量由电能转化为磁能，再由磁能转化为电能。在经颅磁刺激仪中的能量相互转化过程，涉及储能电容、能量释放电路、刺激线圈等几个必不可少的关键部分，且其是整个仪器中体积较大的部分，研制便携式经颅磁刺激仪必须做好这几部分。图1为便携式经颅磁刺激系统结构示意图，输入的直流电源电压24 V通过升压电源模块升压到控制模块设定的电压给储能电容充电，电容充满后将状态反馈给控制模块，控制模块根据用户设置判定是否进行放电刺激，同时控制模块通过温度检测电路对各个功能模块的温度进行实时检测。

图1 便携式经颅磁刺激系统结构示意图

4.1 储能电容

储能电容是经颅磁刺激仪的核心部件，储能电容的性能直接决定了经颅磁刺激仪的性能。在研制大型经颅磁刺激仪的时候如何选取合适的电容，通常只需要关注电容的额定电压值、耐压值、容值以及等效电阻等几个方面，一般不考虑体积的因数，所以现在的大型经颅磁刺激仪的储能电容，大多体积较大。而研制便携式经颅磁刺激仪储能电容时体积则成为一个非常重要的因素，市面上已有的电容很难同时满足高电压、大容量、低等效电阻和小体积的要求，现在有很少的厂家具备生产这种电容的能力，但需要单独进行定制生产，成本较高。现在常用的解决方案是采用电容串并联的方式，这种方式在体积上有很好的灵活性，同时又能降低电容组的等效电阻，提高电容组的耐压值。

4.2 能量回收电路

在经颅磁刺激仪工作过程当中消耗了大量的电能，一般单次刺激脉冲消耗能量在几十焦耳（J）到几百焦耳（J）不等[16]，而最终消耗在靶区的能量不及整个消耗的能量的1/100[17]，大多数的能量消耗在刺激线圈、能量释放电路和储能电容的发热，还有部分能量以电磁波的方式辐射到周围空间里。如何提高刺激过程中能量的利用效率，从而降低单次刺激所需要的能量就成为研制便携式经颅磁刺激仪需要突破的一个技术点[2]。要突破这个技术点，就需要从消耗能量最多的部分入手，即降低整个回路的发热量，这也有助于线圈的冷却。降低整个回路的发热量有三种途径。第一，降低整个回路的等效电阻；第二，降低单次刺激的平均电流；第三，采用新的控制模式。要保证刺激强度就需要保证刺激电流，所以第二种方法不可取。那么我们能做的就是第一种和第三种方法，对于第一种方法能改进的需要更多研究，相对于储能电容的等效电阻，刺激线圈和释放电路的等效电阻改进的意义已经不大，要降低储能电容的等效电阻需要更多的研究和时间。现在研究人员的目光更多的聚焦在第三种方法上，Peterchev等[10-11]研发的刺激脉冲波形可控经颅磁刺激仪（cTMS）就是一个很好的尝试，这为便携式经颅磁刺激仪的研发提供新的思路。

4.3 刺激线圈的优化

刺激线圈作为整仪器的输出端，输出能量直接作用于靶区，所以刺激线圈也经颅磁刺激仪的至关重要的部件[18-20]。现在商业上用的刺激线圈多为圆形线圈和“8”字形线圈，这些线圈在聚焦性和刺激深度方面都有进一步优化的需要[19,21-22]。2014年，Koponen等[16]在文章中提出了最小刺激能量线圈，他们设计出的线圈在达到同样的刺激效果时消耗的能量要比常规线圈减少73%，但是他们设计出的线圈制作起来比较麻烦，体积较大，聚焦点比较固定。2015年，Sekino等[23]人设计的偏心“8”字形线圈，该线圈在达到同样的刺激效果时需要的驱动电流密度要比常规的“8”字形线圈小18%，该线圈制作难度小，体积与现有的“8”字形线圈相差无几，这可以作为便携式经颅磁刺激的线圈设计的重要参考。

4.4 便携式经颅磁刺激仪发展现状

由于便携式经颅磁刺激技术是在最近几年才取得长足的进步，目前市面上仅有美国eNeura（Neuralieve）公司开发的两代便携式经颅磁刺激仪Cerena TMS[14]和Spring TMS[15]，Cerena TMS于2013年5月通过了美国FDA的认证，Spring TMS于2014年3月通过了美国FDA的认证，现在Spring TMS已经正式投放市场，公开资料显示该产品的性能参数为：该产品的每一个刺激周期为2 min，每一个刺激周期产生2个刺激脉冲，一个刺激周期完成后需要间歇5 min才能进入下一个周期；每一个刺激脉冲需要能量140 J；刺激的磁感应强度达到0.9 T；供电方式为内部锂电池供电；刺激线圈采用内置的方式；产品的长为23 cm，宽为13 cm，高为8 cm；重量为1.7 kg[14]。该产品是国际上普遍认可的一种便携式经颅磁刺激仪。

北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室设计并研制出了一款便携式经颅磁刺激仪，这款便携式经颅磁刺激仪达到Cerena TMS和Spring TMS高刺激磁感应强度，克服了Cerena TMS和Spring TMS刺激频率偏低的问题，其具体设计性能参数为：供电方式锂电池与外接适配电源；设计长为25 cm，宽为18 cm，高为8 cm；设计主机重量为2 kg；设计刺激磁感应强度为1 T；设计刺激频率为0.1～10 Hz连续可调，保证刺激强度的刺激频率为0.5 Hz；刺激线圈采用外置可插拔式。目前研制出样机一台，其测试性能基本达到设计要求。现在正对样机的稳定性、可靠性和安全性做进一步的测试。便携式经颅磁刺激系统实物图，见图2。

图2 便携式经颅磁刺激系统实物图

5 总结

随着经颅磁刺激技术的不断进步，便携式经颅磁刺激仪将成为经颅磁刺激技术发展新的趋势，会有越来越多的科研人员和社会资源投入到该领域当中，这必将推进便携式经颅磁刺激仪的技术进步，也会有越来越多的便携式经颅磁刺激仪问世，这些便携式经颅磁刺激仪的出现又将极大的拓宽颅磁刺激技术的应用前景，降低使用成本，使更多的脑功能障碍患者得到有效的治疗，同时降低脑功能障碍研究的技术门槛，提供技术平台支持，让更多的研究者能够进入该领域，推动脑功能障碍研究的不断进步。

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Overview of Advances in Portable Transcranial Magnetic Stimulation Techniques

YANG Chun-lin1, JIANG Zhen-zhou1, WU Shu-feng1, LI Xiao-li2
1. School of Electric Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China; 2. National Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

Transcranial magnetic stimulation (TMS), which is a brain modulation technology for brain function, can be effectively used in the detection, diagnosis, and treatment of mental illnesses and neurological disorders. TMS is widely applied in the clinical diagnosis and treatment and rehabilitation of brain disorders. The existing transcranial magnetic stimulator, however, is mostly bulky, expensive, and diffi cult to meet the growing demand from family and community health services. Therefore, portable transcranial magnetic stimulation (portable TMS) has gained more and more attention. The techniques have been improved significantly. This article provides introduction of the progression of portable transcranial magnetic stimulation techniques.

transcranial magnetic stimulation; portable; brain modulation

R318.03

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.01.003

1674-1633(2016)01-0013-03

2015-09-17

国家自然科学基金（No.61273063）；中央在京高校重大成果转化项目（北京市教委）。

李小俚，教授。

通讯作者邮箱：xiaoli@bnu.edu.cn