[发明专利]一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈。特别是涉及一种基于真实头部电导率模型的用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法。

背景技术

经颅磁刺激技术是一种无痛、无创、非侵入的技术，线圈内的脉冲电流产生的磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑神经。随着研究的深入、技术的发展，浅层的刺激不能满足医疗和科研的需求，深部刺激应运而生。目前的线圈只能刺激到1.5-2cm的浅层皮质区域。深部刺激在不增加激励的同时，满足对大脑深部结构的刺激，减少对浅层皮质的损伤。

H型线圈拥有复杂的结构设计，底座部分是刺激主要部分，导线方向切向头皮；突出回路和连接回路远离刺激目标区域，减弱对目标区域的影响。但是目前的H型线圈设计基于球头模型，球头模型与真实头部结构存在较大差异。头模型的准确度影响着经颅磁刺激中线圈在模型上产生的电场分布规律。真实头模为H型线圈的设计提供依据，使线圈在头部产生的电场分布更趋近于真实情况。

H型线圈利用感应电场矢量叠加的原理，加强在深部靶组织中的感应电场；底座部分导线呈一定间隔分布，以此减少浅层皮质的刺激强度。导线间隔和分布影响着浅层皮质的电场强度和深部特性。头部和H型线圈的复杂性说明仅仅研究电场在某一条线段上的衰减特性是远远不够的，需要更为详尽的内部电场分布信息。包含海马、杏仁核等结构的边缘系统在中脑、间脑和新皮质结构之间的信息交换起着重要作用，有必要将边缘系统分离出来，建立包含边缘系统的真实头部模型。本发明采用有限元的方法计算头部电场分布，评估额叶前部、上部及侧部的H型线圈导线间隔对深部特性的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过改变额叶前部、上部及侧部的导线间隔，运用有限元的方法模拟电场在真实头电导率模型的分布情况和深部特性的用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法。

本发明所采用的技术方案是：一种用于脑深部经颅磁刺激的H型线圈优化方法，运用有限元的方法模拟电场在真实头部电导率模型的分布情况和深部特性，优化额叶前部、上部及侧部的导线间隔，减弱头部浅层电场强度，增大头部深层电场强度，包括，以下步骤：

1)通过磁共振成像或CT数据建立包含边缘系统的真实头部结构模型，在有限元软件中建立包含边缘系统的真实头部电导率模型；

2)根据真实头部结构模型的外轮廓建立切向所述真实头部结构模型外表面的H型线圈；考虑头部边缘系统的结构和位置特点，确定额叶前部、顶部和侧部导线模型分布范围，建立在真实头部结构模型的额叶前部、顶部及侧部不同导线间隔的H型线圈模型；

3)运用有限元方法模拟H型线圈在真实头部电导率模型上的电场分布，设置评价线圈深部特性的标准，包括：

(1)在有限元软件中通过网格划分，将真实头部电导率模型分割成有限个单元，建立能够运用于数值计算的有限元模型；在有限元模型上进行加载求解，得到H型线圈在真实头部模型上的电场分布；

(2)为了满足深部刺激的目的，同时减少对浅层皮质的刺激，采用真实头部电导率模型表面电场最大值与真实头部电导率模型边缘系统电场最大值之比作为评价H型线圈设计的标准；

4)以评价H型线圈设计的标准为依据，确定H型线圈额叶前部、顶部和侧部不同位置最佳导线间隔。

步骤1)所述的建立包含深部结构的头部模型包括：

(1)将磁共振成像或CT数据导入交互式的医学影像控制系统，包括阈值分割、区域增长和手动修饰的操作，提取头部及边缘系统的边缘，分别建立头部三维面片模型和边缘系统三维面片模型；

(2)在有限元软件中将头部三维面片模型和边缘系统三维面片模型转化为头部实体模型和边缘系统实体模型，将所述头部实体模型和边缘系统实体模型进行搭接布尔运算，建立包含边缘系统的真实头部结构模型，进行电导率赋值，建立包含边缘系统的真实头部电导率模型。

步骤2)所述的H型线圈模型，是采用拖拽方式建立，H型线圈模型的导线截面是边长为1mm的正方形，导线距离真实头部结构模型表面5mm。

所述的拖拽方式是在有限元软件中根据真实头部电导率模型外轮廓进行描点连线，形成切向真实头部电导率模型表层的路径，建立垂直于路径的一个截面，沿路径拖拽所述的截面，得到切向真实头部电导率模型表层的H型线圈模型。

步骤3)所述的真实头部电导率模型表面电场最大值与真实头部电导率模型边缘系统电场最大值之比越小，表示H型线圈深度特性越好。