经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置*

李凌波，尚振东,△，赵瑞兄，刘春阳,，胡志刚

(1.河南科技大学机电工程学院，洛阳 471003；2.河南省机械设计及传动系统重点实验室，洛阳 471003； 3.河南省国测计量研究院有限公司，郑州 450001)

引言

经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation ，TMS)是一种基于法拉第电磁感应效应的无创生物刺激技术[1-3]。该技术利用时变磁场作用于颅脑皮质产生感应电流，改变皮质神经细胞的动作电位，从而影响脑内的代谢活动和神经电活动[4-10]。目前已被广泛运用于治疗抑郁症、精神分裂症、强迫症、脊髓损伤、帕金森病、癫痫、脑卒中后康复、外周神经康复、神经性疼痛、创伤后应激障碍等疾病[11-16]。

大脑分额叶区、顶叶区、枕叶区、颞叶区和小脑，每个部位都有不同的功能，不同的脑部疾病对应着不同的病变部位。若临床应用TMS时错误刺激了颅脑部位，会导致治疗作用的不稳定[17]，部分患者会出现不良反应甚至出现晕厥[18]等。因此，在应用TMS治疗脑部疾病的临床实践中，存在同一患者的不同治疗阶段，或者同一台仪器治疗不同患者时，经常需要调整脑部刺激部位。手持刺激线圈、多自由度支架、控制线圈阵列励磁电流、神经导航定位技术等可在一定程度上满足该需求[19-23]，但均存在自动化、集成化、适应性和经济性方面的问题。针对能否采用机械电子装置通过自动调整刺激线圈的位姿，进而改变TMS刺激颅脑部位的问题，本研究提出了一种经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置的设计方案，并进行了有限元仿真分析。

1 线圈位姿调整装置

1.1 结构与应用

经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置结构见图1，包括支撑杆、步进电机、齿轮、圆柱齿条、长伞骨、短伞骨、伞骨支架、刺激线圈等。由支撑杆通过球形铰链与伞骨支架连接，伞骨支架的下部通过铰链与5个长伞骨连接，伞骨支架的外侧固定步进电机，步进电机输出轴上安装齿轮，齿轮与安装于伞骨支架中心孔内的圆柱齿条配合，圆柱齿条(见图2)的下端通过铰链与短伞骨连接，短伞骨通过铰链与长伞骨连接，长伞骨的下端固定刺激线圈，导线通过支撑杆、伞骨支架、圆柱齿条的中心孔穿过，沿短伞骨和长伞骨与刺激线圈连接。

图1 线圈位姿调整装置结构示意图

经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置的应用见图3。步进电机(选用的35步进电机)带动齿轮与圆柱齿条啮合，从而使圆柱齿条相对于伞骨支架发生位置移动，进而改变刺激线圈相对于受试者颅脑的距离以及角度。当中央控制器控制步进电机正转时，使伞骨支架上升，伞骨与伞轴之间的夹角会逐步增大，带动刺激线圈与受试者颅脑的距离逐步增加；当中央控制器控制步进电机反转时，使伞骨支架向下移动，伞骨与伞轴支间的夹角会慢慢变小，此时经颅磁刺激线圈所产生的感应磁场的聚焦点会随之往上方移动，从而实现了刺激线圈相对于受试者颅脑位置的可控性。伞帽处的球铰机构，可以使整个磁场输出装置随意转动。

图2 圆柱齿条

图3 线圈位姿调整装置应用示意图

1.2 刺激线圈定位距离

根据前述线圈位姿调整装置的结构与应用，可以计算出控制步进电机的脉冲数与刺激线圈定位距离间的关系。

假设处于所有位置的刺激线圈中心共面且平行于水平面，其中当圆柱齿条处于其可调节范围的中点U时刺激线圈中心平面为P；当患者以坐姿治疗时，假设其上半身的纵轴(矢状面与额状面的交线)与线圈位姿调整装置伞骨支架中心线重合。定义患者上半身的纵轴为z轴，竖直向上为正；平面P与z轴交点为原点O；平面P与矢状面交线为x轴，指向人体前方为正；平面P与额状面交线为y轴，指向人体右方为正，见图4。

图4 经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置结构简图

考虑到由支撑杆与伞骨支架通过球形铰链连接，线圈位姿调整装置可以绕z轴旋转。不失一般性，令某线圈Q中心点处于x轴正半轴，见图4。用半径为R的圆模拟颅脑截面。圆柱齿条可移动范围中点U到长伞骨与z轴交点S距离为h，到坐标原点O的距离为j。另外，长伞骨长度为l=l1+l2，短伞骨长度为m，长伞骨与z轴之间的夹角为α。步进电机接收一个脉冲转过一个步距角，通过齿轮带动圆柱齿条移动距离为Δh(根据结构参数计算为0.157 mm)。指定电机正转带动圆柱齿条向上移动为正，反之为负。当圆柱齿条处于其可移动范围的中点，在其可移动范围内，当步进电机接收n个脉冲，圆柱齿条移动距离为±nΔh，根据余弦定理，有：

(1)

得：

(2)

则长伞骨与伞轴之间的夹角为：

(3)

线圈Q距z轴的距离，即Q点的x坐标为：

Qx=lsinα=(l1+l2)sinα

(4)

线圈Q距x轴的距离，即Q点的z坐标为：

Qz=h+j-lcosα=h+j-(l1+l2)cosα

(5)

线圈Q圆心距颅脑的距离L为：

(6)

结合结构参数，根据步进电机正反转和接收的脉冲数n，即可通过式(1)—(6)计算出刺激线圈中心距离颅脑外沿的距离L。

2 建模与仿真

为了验证本研究设计方案是否能够通过调节刺激线圈的空间位姿，实现对不同患者的刺激部位的自动调节，达到精准治疗的目的，建立线圈和人脑有限元模型，仿真分析在刺激电参数相同、机械结构参数不同条件下，刺激线圈对于颅脑产生的磁场分布[24-26]。

2.1 刺激线圈建模

刺激线圈模型选择蚊香型圆形线圈，由边长均为0.1 mm的方形导体绕制30匝而成，内半径为14 mm，每匝线圈半径增长为0.15 mm，外半径为18.5 mm，刺激线圈材料选择为铜。

根据经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置的设计方案，采用5个刺激线圈构成线圈阵列，均匀分布在颅脑外侧，且线圈中心距对应颅脑切面位置的角度、垂直距离均相同，见图5。

五个线圈均匀分布在颅脑周围，因此，可以确定各个线圈的中心坐标具体位置：

根据以上公式,得到各个线圈中心坐标在以球形颅脑中心为坐标原点的坐标系中的具体位置，从而建立的仿真模型,见图5。

图5 线圈阵列分布

图6 四层同心球颅脑模型

2.2 颅脑模型

为了观察刺激线圈在不同位置下对于颅脑的刺激部位，参考熊慧等[26]提出的颅脑模型，利用ANSYS Electronics 2020R1，建立的四层同心球颅脑模型(见图6)，将人体颅脑分为大脑、脑脊液、颅骨、头皮四层，每层的半径分别为84、86、94、100 mm，分别对其进行材料属性定义，相对磁导率均设为1 H/m，相对电导率分别设为0.33、1、0.042、0.33 S/m。

2.3 仿真

基于前述构建的模型，选定刺激线圈的五个不同定点位置，分别记为T_1、T_2、T_3、T_4、T_5，进行静态磁场仿真实验。每个定点距离头部位置及与颅脑所成角度,见表1。随着刺激线圈距颅脑距离的增加，与颅脑的夹角逐渐减小。分别给每个线圈加入方向相同、大小为2 100安匝的电流，并对模型设置边界条件和网格剖分后，进行有限元计算分析。

表1 刺激线圈距颅脑距离及夹角参数

3 仿真结果及分析

根据有限元分析软件ANSYS Electronics 2020R1的计算分析，可以得到刺激线圈与颅脑呈不同位姿情况下所产生磁场在颅脑的分布情况，见图7。

图7 刺激线圈位置参数不同时的磁场分布

图7为经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置的圆柱齿条处于不同位置时在头皮层产生的磁场分布。图7(a)对应圆柱齿条处于最下方位置，可以看出,此时头皮层的磁场分布面积最小，仅覆盖正对线圈部分不互连的区域；随着圆柱齿条上移，刺激线圈与颅脑相对位姿改变，作用于头皮层的磁场面积在图7(b)、(c)逐步扩大和互连，图7(d)的头皮层的磁场面积到达最大值，线圈所对部位形成环状强磁场区域；随后，随着圆柱齿条继续上移，作用于头皮层的磁场面积逐步缩小，图7(e)为圆柱齿条处于最上方位置时的情况。

由图7可知，通过驱动经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置，上下移动圆柱齿条，调节线圈的位姿，可以方便地自动调节颅脑刺激部位。

4 结论

本研究设计了一种经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置，用来控制和改变刺激线圈相对于受试者颅脑的距离和姿态，从而改变刺激部位，提高治疗的精准性。首先，设计了线圈位姿调整装置机械结构，建立了位姿调整装置刺激线圈与颅脑的仿真模型，并对刺激线圈距颅脑不同距离的磁刺激进行了有限元仿真分析。结果表明，在相同的刺激参数下，通过经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置，改变刺激线圈与颅脑的位置姿态，可以有效改变刺激部位。该结果验证了本研究设计的经颅磁刺激仪线圈位姿调整装置的可行性。

本研究设计的线圈位姿调整装置与通过手持刺激线圈相比，增加了治疗的自动化，减轻了医护人员压力；与以多自由度支架放置于被试头皮表面以实施刺激方式相比较，针对性和自动化程度更强，便于实现与其他部件一体化；与采用密集均布线圈，并通过控制线圈电流通断及大小的方法相比较，在同样情况下，可以更加灵活地采用不同规格的线圈，以将更合适的磁场精准作用于特定的部位；与神经导航定位技术相比较经济性较好。