專利名稱：聚焦的磁神經(jīng)刺激及檢測(cè)的方法和設(shè)備的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及神經(jīng)刺激及檢測(cè)，特別是涉及磁神經(jīng)線圈系統(tǒng)及其聚焦在選定的并可電控的皮下區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)刺激以及聚焦更好的磁神經(jīng)檢測(cè)的有關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，這種檢測(cè)例如有腦磁描記器和心動(dòng)磁描記器中的生物信號(hào)的檢測(cè)。
發(fā)明的
背景技術(shù)：
a)磁神經(jīng)刺激—把磁刺激用于神經(jīng)組織的方法和設(shè)備對(duì)于試驗(yàn)性地引起動(dòng)物的反應(yīng)以及對(duì)于某些臨床應(yīng)用的重要性日漸增長(zhǎng)，Barker發(fā)表的“磁神經(jīng)刺激基本原理緒論”(“An Introduction to the Basic Principle of MagneticNerve Stimulation”,Journal of Neurophysiology,Vol.8,No.1,pp.26-37,1991)上介紹了包含磁神經(jīng)刺激在內(nèi)的基本原理，另外還有授予Cadwell的題為“磁刺激神經(jīng)的方法和設(shè)備”的美國(guó)專利US5,047,005以及授予Chaney的題為“用于神經(jīng)生理學(xué)的磁神經(jīng)刺激器”的美國(guó)專利US5,061,234。與普通的電刺激比較，這些已有的磁的方法顯示出許多引人注意的特性，例如它們都是非接觸式和非侵入式方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)是無(wú)痛苦的，最重要的是它們能夠刺激較深的神經(jīng)，也就是能夠刺激不易觸及到的神經(jīng)。
關(guān)于磁神經(jīng)刺激的如下參考文獻(xiàn)表明，有各種利用模型、動(dòng)物和人類的試驗(yàn)結(jié)果的報(bào)告。
在Cohen和Cuffin的文章“發(fā)展中的多焦點(diǎn)磁刺激器，第一部分某些基本原理”(Journal of Clinical Neurophysiology,Vo1.8,No.1,1991,pp.102-111)中討論了由相互平行的圓形線圈、相互垂直的圓形線圈以及平行于組織表面的8字型線圈所產(chǎn)生的磁刺激，Cohen等證實(shí)需要得到“真實(shí)的聚焦”，并證實(shí)這些方案都未能實(shí)現(xiàn)這種“真實(shí)的聚焦”(見(jiàn)第106頁(yè))。Cohen認(rèn)為8字型線圈雖然有改進(jìn)并且把聚焦范圍縮小到1cm,但是這種線圈不是非常有效。在Cohen和Yunokuchi的文章“發(fā)展中的多焦點(diǎn)磁刺激器，第二部分制作線圈和測(cè)量感應(yīng)電流分布”(Journal ofClinacal Neurophysiology,Vol.8,No.1,pp.112-120,1991)中評(píng)價(jià)了實(shí)際制作的線圈。
在Evans的文章“外圍神經(jīng)系統(tǒng)的磁刺激”(Jounal of ClinacalNeurophysiology,Vol.8,No.1,pp.77-84,1991)中，審查了蝴蝶形線圈的應(yīng)用，然而，Evans證實(shí)在刺激較深的神經(jīng)時(shí)，由于引入了高電流強(qiáng)度，病人可能要承受局部的痛苦。
題目為“磁神經(jīng)刺激的方法和設(shè)備”的美國(guó)專利US5,476,438以及相關(guān)技術(shù)“使用超聲聚焦的磁神經(jīng)刺激、原理、限制和可能的應(yīng)用”(第27屆生物醫(yī)學(xué)工程年會(huì)，Graz.,Vol.38,pp.415-416,1993)被本發(fā)明人列為使用作用于磁場(chǎng)區(qū)的超聲波聚焦波束而產(chǎn)生焦點(diǎn)直徑大約lcm的皮下聚焦刺激的方法。
在該領(lǐng)域中其他公開(kāi)的文獻(xiàn)有S.Ueno等的“借助于成對(duì)構(gòu)形的時(shí)間變化場(chǎng)的腦神經(jīng)組織的局部刺激”(Journal of Clinical Neurophysiology Vol.8,No.1,1991)；Reza Jalinous的“磁神經(jīng)刺激的方法和實(shí)際方案”(Journalof Clinical Neurophysiology,Vo1.8,No.1,1991)；H.Eaton的“任意線圈在球體導(dǎo)體中感應(yīng)的電場(chǎng)”(Med.＆ Biol.Eng.＆ Comp.,Vol.10,pp.433-440,1992)；Anthony Murro等的“聚焦的磁腦刺激模型”(InternationalJournal of Biomed.Comput.,Vol.31,pp.37-43,1992)；Bradley J.Roth等的“電磁感應(yīng)刺激神經(jīng)纖維的模型”(IEEE Trans.on Biomed.Eng.,Vol.39,No.11,1992)；Peter J.Basser等的“源于三維體積導(dǎo)體模型的磁刺激的激活功能”(IEEE Trans.on Biomed.Eng.,Vol.39,No.11,1992)；KaruP.Esselle等的“磁場(chǎng)的神經(jīng)刺激感應(yīng)電場(chǎng)的分析”(IEEE Trans.onBiomed.Eng.,Vol.39,No.7,1992)；Karu P.Esselle等的“神經(jīng)磁場(chǎng)刺激的臨床組織模型線圈幾何形狀的影響”(IEEE Trans.on Biomed.Eng..Vol.42,No.9,Sept.1995)；C.Bischff等的“神經(jīng)根病診斷中的磁刺激量”(Muscle Nerve,Vol.16,pp.154-161,1993)。上述關(guān)于磁刺激效果的模型和模擬文章還研究了所包含的各種機(jī)理，這些機(jī)理表示所感應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度在激發(fā)短神經(jīng)方面起重要作用，而沿該神經(jīng)感應(yīng)的電場(chǎng)的一次空間導(dǎo)數(shù)起著有助于激發(fā)它們的激活作用。作為與簡(jiǎn)單的圓形線圈的比較，已經(jīng)報(bào)道了“8字型線圈”(也叫做“雙D形”或“蝴蝶形”線圈)、帶尖角的線圈和“苗條”線圈，對(duì)于合適的應(yīng)用，它們能夠產(chǎn)生某些改進(jìn)的性能。
所有這些現(xiàn)有技術(shù)線圈結(jié)構(gòu)共同的一個(gè)主要功能性的缺點(diǎn)是它們?cè)诮M織的表面區(qū)域產(chǎn)生最大場(chǎng)強(qiáng)，該區(qū)域包括最靠近線圈的區(qū)域，而在所需要的次表面組織位置卻只有相當(dāng)?shù)偷膱?chǎng)強(qiáng)。換言之，它們不能聚焦于神經(jīng)組織的較深的次表面容積內(nèi)，而在動(dòng)物和普通神經(jīng)生理學(xué)研究以及臨床應(yīng)用中，該位置恰恰是大多數(shù)用戶所需要的位置。為了在所要求的深度上達(dá)到所要求的場(chǎng)強(qiáng)，在高場(chǎng)強(qiáng)下，它們的線圈就可能過(guò)熱，并且可能使表層組織過(guò)刺激和過(guò)熱。需要解決這些問(wèn)題，并提供一種能夠在神經(jīng)組織的目標(biāo)容積內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)峰值電場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)聚焦性的線圈設(shè)計(jì)。還需要控制該峰值電場(chǎng)的深度，并控制該峰值的激勵(lì)場(chǎng)矢量的方向。
b)神經(jīng)磁檢測(cè)-雖然不是用線圈刺激神經(jīng)組織與用線圈來(lái)檢測(cè)由神經(jīng)組織自然發(fā)射的場(chǎng)的機(jī)理之間的簡(jiǎn)單替換，但是它們有相當(dāng)?shù)念愃菩浴＠?，后者是用腦磁描記器(MEG)或用心動(dòng)磁描記器(MCG)來(lái)進(jìn)行的(G.M.Baule,N.Y.State J.Med.,67,p.3095,1967；J.E.Zimmerman,J.Appl.Physics48,p.702,1977；M.Reite,J.E.Zimmerman,J.Edrich,H.Zimmerman,Electroenc.Cli.Neurophysiol.40,p.59,1976；W.J.Wiliamson,et al.,J.Magnetism andMagn.Mat.22,p.129,1981；S.N.Erne,et al.,ed.,Biomagnetism,W.D.Gruyter,Berlin,1981；P.Weismuller,J.Edrich et al.,PACE p.14,1961,1991；R.Kristeva-Feige,S.N.Erne,J.Edrich,et al.,Abstr.BIOMAG 96,p.268,1996)因此，某些(雖然不是全部)與刺激有關(guān)的上述問(wèn)題在生物磁檢測(cè)中也會(huì)發(fā)生。實(shí)際上，目前敏感的問(wèn)題是由于與腦內(nèi)的神經(jīng)作用和心臟的電生理作用有關(guān)的檢測(cè)電流源的有限的空間定位精度造成的問(wèn)題(Abstr./Proc.BIOMAG 96；Santa Fe,pp.1-340,1996)。許多優(yōu)化MEG和MCG(對(duì)于神經(jīng)生理或臨床應(yīng)用中的功能性圖象生成)的工業(yè)開(kāi)發(fā)集團(tuán)目前正在用所謂多通道系統(tǒng)試圖克服普通生理磁線圈系統(tǒng)的定位問(wèn)題，這些方法也是采用一個(gè)接一個(gè)地安置在要測(cè)量的神經(jīng)組織的上方的許多線圈，例如把頭盔形結(jié)構(gòu)的150個(gè)線圈或線圈系統(tǒng)用于測(cè)腦(MEG)或把平面圓形陣列的55個(gè)線圈或線圈系統(tǒng)用于測(cè)心(MCG)。與用忒斯拉量級(jí)范圍內(nèi)的場(chǎng)刺激相反，這里由神經(jīng)電流產(chǎn)生的場(chǎng)只有10-10忒斯拉量級(jí)或更小，也就是說(shuō)，雖然使用普通超導(dǎo)線圈和Josephyson檢測(cè)器也能精確測(cè)出，但是非常弱。使用上述的多線圈/多通道方法有利于深度定位或皮下電流源或偶極子，并能夠把它們制作得更精確。然而，對(duì)于許多神經(jīng)生理和臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種精度仍然很勉強(qiáng)，如果與結(jié)構(gòu)圖象生成方法相比較，如與MRI和CAT相比較，就特別需要高的精度，像許多用戶所要求的那樣。對(duì)于使用MCG的心內(nèi)相對(duì)較深的電流源來(lái)說(shuō)，聚焦到較深的組織范圍就特別重要。這里，以及在MEG應(yīng)用(癲癇病人聚焦、神經(jīng)分裂癥等的予操作)中，所謂“生物噪聲”也是問(wèn)題的主要來(lái)源。不關(guān)心的但是又被包含在內(nèi)的容積中的神經(jīng)電流引起的不希望的場(chǎng)的拾取和檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生“生物噪聲”，這種拾取和檢測(cè)是因?yàn)槠胀ň€圈的不精確的容積分辨度而造成的。與刺激線圈類似，這里，電感在線圈的信號(hào)靈敏度方面起主要作用(J.E.Zinmerman,J,Appl.特Phys.48,P.703,1977)。所有上述這些問(wèn)題都需要改進(jìn)的線圈或線圈系統(tǒng)，這種線圈或線圈系統(tǒng)要具有對(duì)皮下深度足夠的高空間分辨度，大多數(shù)神經(jīng)生理應(yīng)用和臨床應(yīng)用需要這種高空間分辨度。
線圈系統(tǒng)需要聚焦在皮下神經(jīng)組織的目標(biāo)容積或區(qū)域上，還需要對(duì)生物磁檢測(cè)線圈電流進(jìn)行電子加權(quán)并確定矢量神經(jīng)電流偶極子方向。
在一種應(yīng)用中，線圈用峰值電場(chǎng)能量刺激神經(jīng)組織的目標(biāo)容積，在另一種應(yīng)用中，線圈在神經(jīng)組織的目標(biāo)容積中檢測(cè)神經(jīng)電流產(chǎn)生的電場(chǎng)。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種把磁神經(jīng)刺激或固有產(chǎn)生的神經(jīng)電流的生物磁檢測(cè)聚焦在皮下神經(jīng)組織的目標(biāo)區(qū)域的有效的設(shè)備和方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種避免出現(xiàn)聚焦問(wèn)題、減少?gòu)?qiáng)場(chǎng)條件下的普通磁刺激器線圈的過(guò)熱以及足以減少生物磁檢測(cè)中由噪聲和粗糟的空間分辨度引起的問(wèn)題的設(shè)備和方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種磁神經(jīng)刺激的設(shè)備和方法，這種設(shè)備和方法能夠提供對(duì)所選定的皮下神經(jīng)組織聚焦更好的刺激，而不會(huì)對(duì)表皮組織形成過(guò)刺激和過(guò)熱，同時(shí)提供較深的生物磁信號(hào)的更好的聚焦低噪聲檢測(cè)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種磁神經(jīng)刺激設(shè)備和方法以及生物磁檢測(cè)設(shè)備和方法，這種磁神經(jīng)刺激設(shè)備和方法能夠控制激勵(lì)場(chǎng)矢量的深度和方向，這種生物磁檢測(cè)設(shè)備和方法對(duì)所檢測(cè)到的電流進(jìn)行電子加權(quán)，并能夠確定矢量神經(jīng)電流偶極子的方向。
發(fā)明的簡(jiǎn)要說(shuō)明按照本發(fā)明，提供一種新的設(shè)備和方法，使用磁感應(yīng)電流有選擇地刺激可激發(fā)的組織，兩通道或四通道電子電路最好是一對(duì)或兩對(duì)共面的或近似正交的偏心線圈產(chǎn)生這種磁感應(yīng)電流。同樣，有選擇地檢測(cè)生物磁神經(jīng)信號(hào)。
線圈直徑越大，感應(yīng)電場(chǎng)就越深，這就更能夠穿透到組織內(nèi)。平行組織表面并處于組織表面上方的普通圓形線圈的最大場(chǎng)呈平行環(huán)狀出現(xiàn)在線圈周圍的下面，因?yàn)槠胀▓A形線圈的相對(duì)較弱的聚焦能力而使這些環(huán)的直徑增大，同時(shí)，其固有的場(chǎng)強(qiáng)隨組織深度的增加而減小。雖然正交于組織表面并處于組織表面上方的刺激線圈在靠近該線圈的組織內(nèi)產(chǎn)生更會(huì)聚的場(chǎng)分布，但是，與水平刺激線圈相比，其場(chǎng)強(qiáng)隨離開(kāi)線圈的距離的增大更加劇烈地下降。當(dāng)把水平和垂直線圈相互緊密正交地安置，并按照本發(fā)明適當(dāng)?shù)乜刂破潋?qū)動(dòng)電流時(shí)，本發(fā)明的設(shè)備就能夠得到在所要求的組織深度處形成峰值的感應(yīng)電場(chǎng)，而同時(shí)由于反向場(chǎng)使近場(chǎng)區(qū)域(即在組織表面或稍低于組織表面處)的感應(yīng)電場(chǎng)最小。這一點(diǎn)與場(chǎng)強(qiáng)峰值出現(xiàn)在組織表面的普通線圈的情況形成顯明的對(duì)照，而且組織內(nèi)側(cè)的較深的場(chǎng)更低。因此，本發(fā)明的設(shè)備能夠在深得多的皮下深度處刺激可激發(fā)的組織，而不會(huì)出現(xiàn)像普通線圈系統(tǒng)那樣過(guò)分刺激淺層區(qū)域的情況。
因?yàn)閷?duì)組織的輻射/刺激與來(lái)自組織的自然發(fā)射的輻射情形之間的電磁互逆關(guān)系，線圈系統(tǒng)和方法就能夠在更深的皮下深度處檢測(cè)到神經(jīng)電流源，而沒(méi)有像用生物磁的磁場(chǎng)儀和梯度儀的普通線圈系統(tǒng)的情況那樣的來(lái)自淺層區(qū)域的附加的非希望的噪聲分布。
這會(huì)導(dǎo)致磁刺激的聚焦性的實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，同時(shí)消除對(duì)較深的組織區(qū)域更加增強(qiáng)的刺激的主要障礙，通常對(duì)于神經(jīng)生理試驗(yàn)或臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)，用戶需要對(duì)較深組織區(qū)域?qū)嵤└鼜?qiáng)的刺激。這還能導(dǎo)致實(shí)質(zhì)上改進(jìn)的在皮下深度處的生物磁檢測(cè)，通常對(duì)于神經(jīng)生理試驗(yàn)或臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)，用戶需要這種皮下深度的生物磁檢測(cè)。
線圈電流的電子控制能夠快速調(diào)節(jié)上述激勵(lì)的皮下聚焦的深度以及激勵(lì)場(chǎng)矢量的方向，同樣，生物磁檢測(cè)線圈電流的電子加權(quán)能夠快速調(diào)整皮下檢測(cè)焦點(diǎn)，并能夠確定矢量神經(jīng)電流偶極子的方向。
與普通線圈相比，所發(fā)明的線圈系統(tǒng)的特殊偏心形式和橫截面引起較小的額外的非希望場(chǎng)、較高的驅(qū)動(dòng)線圈電流和/或較高的脈沖重復(fù)率，同時(shí)減小線圈的過(guò)熱。同樣，所發(fā)明的線圈系統(tǒng)的偏心形式和橫截面僅檢測(cè)到一點(diǎn)點(diǎn)非希望的神經(jīng)電流偶極子，并引起較低的系統(tǒng)噪聲，例如，改進(jìn)的生物磁信號(hào)檢測(cè)。
一個(gè)多通道電子電路來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)本發(fā)明的聚焦刺激器和檢測(cè)器線圈系統(tǒng)。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1a和1b(現(xiàn)有技術(shù))是用水平線圈或垂直線圈感應(yīng)產(chǎn)生的用來(lái)刺激組織內(nèi)的神經(jīng)或從神經(jīng)進(jìn)行生物磁檢測(cè)的水平取向電流的示意圖；圖2a是兩個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)；圖2b表示由水平和垂直線圈單獨(dú)產(chǎn)生或檢測(cè)到的組織內(nèi)的水平取向電流強(qiáng)度和在聚焦區(qū)產(chǎn)生的疊加而引起的電流強(qiáng)度；圖2c表示類似于圖2a的一個(gè)四線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠電轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)矢量或檢測(cè)矢量，還表示了皮下深度；圖2d說(shuō)明峰值聚焦區(qū)的轉(zhuǎn)向；圖3是本發(fā)明的4圈偏心線圈的實(shí)施例；圖4是圖3實(shí)施例的偏心線圈的感應(yīng)電流強(qiáng)度或檢測(cè)到的電流強(qiáng)度；圖5a和5b表示本發(fā)明的2線圈結(jié)構(gòu)的兩個(gè)另外的平面聚焦實(shí)施例，它們能夠借助于偏心線圈產(chǎn)生或檢測(cè)皮下電流；圖5c和5d表示類似于圖5a和5b平面四線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠電轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)矢量或檢測(cè)矢量；圖6表示用兩個(gè)正交線圈在組織內(nèi)感應(yīng)或檢測(cè)的電流；圖7表示是本發(fā)明的用來(lái)控制并對(duì)2線圈結(jié)構(gòu)放電的磁刺激器的電路方框圖；圖8是控制線圈對(duì)來(lái)進(jìn)行最佳表面場(chǎng)抵消和深度聚焦的本發(fā)明的專用生物磁檢測(cè)器系統(tǒng)的電路方框圖。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明
1．現(xiàn)有技術(shù)圖1說(shuō)明水平(圖1a的線圈11)或垂直(圖1b的線圈12)定位在半無(wú)限平面組織110上方的空氣100內(nèi)的普通線圈。組織110有表面120。在線圈11下面的組織110內(nèi)，大體沿線圈11周圍的表面120附近能夠發(fā)現(xiàn)由電流IH感應(yīng)的(或由水平線圈11檢測(cè)到的)最高位的組織電流環(huán)13，這些電流環(huán)13的直徑D隨組織深度的增加而增大，電流強(qiáng)度(I2＜I1)隨組織深度的增加而減小。如圖1b所示，也確實(shí)存在由垂直線圈12的電流IV在組織110內(nèi)感應(yīng)的(或在該線圈中生物磁檢測(cè)到的)電流環(huán)14和15，這些電流環(huán)是兩個(gè)挨著的電流環(huán)14和15，它們?cè)谖恢?6處相接，因?yàn)閮蓚€(gè)電流環(huán)14和15的幾何疊加，此處呈現(xiàn)一個(gè)相對(duì)較高的電流強(qiáng)度的匯集(I3+I3)。因此，由于這種場(chǎng)匯集特性，就把處于垂直線圈12下方的該位置16作為刺激(或檢測(cè))的聚焦區(qū)。然而，水平線圈11比垂直線圈12在較深的組織內(nèi)產(chǎn)生更大的絕對(duì)電流強(qiáng)度，這就表示水平線圈能夠更有效地刺激較深的神經(jīng)組織(或從較深的神經(jīng)組織進(jìn)行生物磁檢測(cè))。如背景技術(shù)部分所指出的那樣，物理線圈11和12的用作刺激的實(shí)際設(shè)計(jì)與用作檢測(cè)的實(shí)際設(shè)計(jì)是不同的，但是功能一樣。I1和I2區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)電流在線圈11內(nèi)產(chǎn)生電流IH,I14和I15區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)電流在線圈12內(nèi)產(chǎn)生電流IV，這些檢測(cè)到的神經(jīng)電流比感應(yīng)的神經(jīng)電流弱得多。
采用蝴蝶、雙D、尖角或“苗條”式設(shè)計(jì)的上述現(xiàn)有技術(shù)線圈結(jié)構(gòu)僅在較淺的組織深度內(nèi)產(chǎn)生較高的電流強(qiáng)度的匯集，它們還存在上面已經(jīng)指出的其他缺點(diǎn)。
線圈11和12的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)線圈11和12、電流和電壓的電子電路都是公知技術(shù)，并已經(jīng)公開(kāi)于上述的參照文獻(xiàn)內(nèi)。例如，Chaney披露了用0.75cm×1.0m的矩形截面扁平絕緣導(dǎo)線螺旋繞成的直徑2cm的盤(pán)形線圈，該線圈的厚度是0.75cm，所以導(dǎo)線沿其窄邊繞成線圈，這種線圈結(jié)構(gòu)在線圈的中心附近產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)該線圈的最大電流是6,000安培，所以，可以使用水冷管來(lái)冷卻線圈。同樣，在MEG和MCG應(yīng)用中，用于電流檢測(cè)的線圈11的設(shè)計(jì)和有關(guān)的檢測(cè)電路也都是公知的。
2．H-V結(jié)構(gòu)兩線圈為了部分地克服普通線圈構(gòu)形的問(wèn)題和限制，出現(xiàn)了圖2a的線圈結(jié)構(gòu)方案，該實(shí)施方案包括基本上水平的(H)線圈21和基本上垂直的(V)線圈22，它們單獨(dú)由用箭頭表示的相反方向電流(IH和IV)來(lái)驅(qū)動(dòng)(或?qū)τ谏锎烹娏鳈z測(cè)是反向連接的)。這些線圈21和22在近于表面120的區(qū)域(即x,y,z=0)200內(nèi)相互靠近接觸，并且維持各自的電流，線圈21和22的尺寸可以與圖1的現(xiàn)有技術(shù)線圈相當(dāng)。
圖2b表示沿x-方向分別由圖2a的基本垂直的線圈22和基本水平的線圈21感應(yīng)或檢測(cè)到的電流強(qiáng)度23和24，在圖2b上，沿x-方向得到的電流強(qiáng)度25表示曲線23和24的線性疊加，該電流在淺組織深度的區(qū)域26(x=y=z=0周圍)形成所需要的抵消場(chǎng)，最重要的是形成有峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)27，這是要對(duì)準(zhǔn)的皮下聚焦區(qū)域112。
圖2a的線圈21和22的最佳值范圍如下線圈直徑1-10cm圈數(shù)1-10圈導(dǎo)線橫截面積1-10mm2按照?qǐng)D2a的線圈21和22的一個(gè)典型的例子，這些值是線圈直徑5cm圈數(shù)5加到線圈21和22上的電流的脈沖寬度100ms，電流強(qiáng)度5000安培。
如圖2b所示，選擇地調(diào)整電流IV和IH的值，就可以把峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)27(以及，因此目標(biāo)區(qū)112)定位于深度114，強(qiáng)度116。電流值IV和IH越大，目標(biāo)區(qū)域112就越深，改變電流IV和IH的比，就能夠調(diào)整峰值27的位置(即形狀和強(qiáng)度)。
某些實(shí)施例可以把垂直線圈H取向45°或60°。
可以把線圈結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為例如兩對(duì)重疊的正交線圈，所有這些線圈都交匯于x=y=z=0處，而垂直和水平線圈轉(zhuǎn)動(dòng)90°。相對(duì)于兩線圈結(jié)構(gòu)，這種四線圈結(jié)構(gòu)不局限于僅僅激發(fā)(或檢測(cè))單一方向上的主取向的神經(jīng)，例如圖2a的線圈結(jié)構(gòu)的x-方向，而且可以借助于每個(gè)正交的線圈對(duì)內(nèi)的可電變的(或加權(quán)的)電流和作用時(shí)間掃描電流在x-y平面內(nèi)的所有可能的方向上產(chǎn)生神經(jīng)激發(fā)或檢測(cè)。圖2c表示從頂面觀看的采用兩對(duì)(H1-V1和H2-V2)線圈的四線圈結(jié)構(gòu)，每對(duì)線圈能夠在x-y平面的所有方向上產(chǎn)生(或檢測(cè))皮下聚焦的電流，在x-y平面上可用線圈電流(或用于檢測(cè)的電流的加權(quán))來(lái)電調(diào)節(jié)方向。在圖2d中表示了x-y平面內(nèi)所感應(yīng)(或檢測(cè)到)的峰值電流27的轉(zhuǎn)向118，該轉(zhuǎn)向118可以用兩種方法來(lái)產(chǎn)生電的和機(jī)械的。使IH1的值大于IH2的值，矢量方向靠近y軸。因此，控制IH的電流值就能通過(guò)電轉(zhuǎn)向得到所要求的方向。或者，可以繞z=0轉(zhuǎn)動(dòng)線圈H1-V1和H2-V2通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)得到峰值27的轉(zhuǎn)向118。在這兩種情況下，峰值27都可以是穩(wěn)定的，并能夠有選擇地移動(dòng)，通過(guò)調(diào)整IH1對(duì)IH1的比，可以再次達(dá)到峰值沿z軸的可變深度。
如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)的線圈能在目標(biāo)容積112內(nèi)聚焦在x平面或x-y平面的所要求的深度114上，所需要的最大場(chǎng)強(qiáng)116的焦點(diǎn)27用來(lái)在目標(biāo)容積內(nèi)刺激神經(jīng)組織。對(duì)于檢測(cè)來(lái)說(shuō)，是在目標(biāo)容積內(nèi)從神經(jīng)組織檢測(cè)出神經(jīng)電流。
圖2所表示的是一對(duì)相鄰接的線圈，這對(duì)線圈的每個(gè)線圈有單獨(dú)的電通路，在單獨(dú)的電通路上有相反方向的電流，這種結(jié)構(gòu)在皮下神經(jīng)組織的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)，在有關(guān)神經(jīng)刺激的實(shí)施例中，把相反方向的電流加到線圈上，以便產(chǎn)生峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)，在有關(guān)檢測(cè)的實(shí)施例中，線圈按照相反方向從峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)的神經(jīng)電流中接收電流。
3．水平線圈的優(yōu)選結(jié)構(gòu)如果采用普通的分離圓形線圈，圖2a的線圈結(jié)構(gòu)至少在線圈下方產(chǎn)生(或檢測(cè))離z-軸較遠(yuǎn)的其他不希望的峰值電流強(qiáng)度。下列設(shè)計(jì)避免了該問(wèn)題。圖3表示一個(gè)4圈的偏心線圈30，圖3a是橫截面圖，圖3b是俯視圖，該圖表示出線圈采用帶狀(即矩形橫截面)導(dǎo)線的一個(gè)實(shí)施例，弱場(chǎng)區(qū)31的導(dǎo)線橫截面寬而扁平，強(qiáng)場(chǎng)區(qū)32的導(dǎo)線橫截面取向豎直(即窄)。在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)32，該偏心線圈30的每圈的邊緣高度是202，每圈都是扁平的弱場(chǎng)區(qū)31的高度是204，高度202是高度204的數(shù)倍。另外，弱場(chǎng)區(qū)31的第一圈的寬度206是強(qiáng)場(chǎng)區(qū)32的第一圈的寬度208的數(shù)倍。如后面將要說(shuō)明的那樣，這種偏心關(guān)系把所得到的場(chǎng)集中在區(qū)域209周圍。這種結(jié)構(gòu)的另外的實(shí)施例包括圓形橫截面的導(dǎo)線。電流I沿所指示的方向。
圖4表示處在圖3的線圈下方的半無(wú)限組織內(nèi)感應(yīng)(或檢測(cè))的歸一化電流強(qiáng)度In，峰值43對(duì)應(yīng)于圖3的區(qū)域32，弱場(chǎng)41對(duì)應(yīng)于圖3的區(qū)域31，注意零交叉點(diǎn)42并不處于偏心線圈的幾何中心300，而是靠近線圈孔200(圖3b)的中心。這種偏心結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)聚焦性方面起著重要作用，對(duì)于刺激而言，這種結(jié)構(gòu)還改善了線圈30強(qiáng)場(chǎng)和大電流的熱載特性。偏心線圈30的扁平帶狀導(dǎo)線結(jié)構(gòu)有效地增大了它的熱輻射能力和/或冷卻能力，對(duì)于用強(qiáng)脈沖電流(如6000安培的100微秒的脈沖)常規(guī)驅(qū)動(dòng)的這種線圈來(lái)說(shuō)，熱輻射能力和/或冷卻能力是關(guān)鍵的性能參數(shù)。
圖1的普通線圈的熱阻已經(jīng)嚴(yán)重地限制了它們的使用，特別是對(duì)于神經(jīng)生理學(xué)研究和臨床應(yīng)用的實(shí)際情況所經(jīng)常需要的強(qiáng)場(chǎng)和高重復(fù)率來(lái)說(shuō)更是這樣。與普通線圈相對(duì)，具有良好的冷卻能力的偏心線圈30就可以用于要求強(qiáng)場(chǎng)和高脈沖重復(fù)率的情況。由于偏心線圈30較小的互感、較短的圈長(zhǎng)和導(dǎo)線較大的有效橫截面，使它呈現(xiàn)相當(dāng)?shù)偷母锌?。反過(guò)來(lái)，與普通線圈相比，這又能產(chǎn)生更強(qiáng)的場(chǎng)和/或更高的脈沖重復(fù)率。因此，與普通刺激器相比，在所關(guān)心的神經(jīng)區(qū)域內(nèi)感應(yīng)的電場(chǎng)以及脈沖重復(fù)率能夠更高。
由于電磁的互逆性，皮下神經(jīng)電流的檢測(cè)同樣有益于形成本發(fā)明的線圈結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的聚焦性以及更低的感抗，該線圈結(jié)構(gòu)比普通線圈呈現(xiàn)好幾倍的空間分辨度和低幾倍的附加噪聲。
圖6是由兩正交線圈(圖2的H-V線圈)在皮下組織內(nèi)感應(yīng)的(或生物磁檢測(cè)到的)電流分布的三維曲線圖，每個(gè)線圈為4圈，最大直徑10cm。水平線圈具有類似于圖3的偏心形狀，這些線圈在它們的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域緊接在一起，在z-軸上深度為4cm或z=-4cm處形成峰值或聚焦于此。如上所述，可以通過(guò)改變或加權(quán)線圈電流來(lái)用電子學(xué)方法改變z-軸上電場(chǎng)強(qiáng)度的這個(gè)峰頂600的位置即聚焦深度，圖6上的點(diǎn)200對(duì)應(yīng)于圖2a和2b中的點(diǎn)200。
圖6說(shuō)明在峰頂600和組織的表面(z=0)之間電場(chǎng)強(qiáng)度最小。
4．H-H結(jié)構(gòu)兩線圈或四線圈圖5表示兩線圈或四線圈(H-H)的四個(gè)實(shí)施例，這種結(jié)構(gòu)還可以借助于偏心線圈用于感應(yīng)(或檢測(cè))電流的皮下聚焦。如圖5a和5b所示，為了使組織的神經(jīng)表面區(qū)域的場(chǎng)相抵消，較小的線圈51和52中的電流IA必須與較大的線圈53和54中的電流的方向相反。在圖5b的線圈結(jié)構(gòu)中，相互緊靠結(jié)合處具有兩段直的線圈段210，這就更適合于激發(fā)神經(jīng)組織的目標(biāo)容積內(nèi)的長(zhǎng)而直的神經(jīng)纖維或神經(jīng)束。
類似于上述的圖2c，皮下感應(yīng)(或檢測(cè))的電流矢量的方向的電轉(zhuǎn)向可以用兩個(gè)相同的一圈線圈對(duì)(圖5c的51a-53a和51b-53b，圖5d的52a-54a和52b-54b)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些線圈對(duì)繞z-軸在x=y=z=0處轉(zhuǎn)動(dòng)，并沿平面靠近重疊。
5．刺激器系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖7表示上述兩線圈結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的磁刺激器的電子控制電路圖。電流比調(diào)節(jié)器71設(shè)定驅(qū)動(dòng)兩個(gè)線圈L1、L2的兩個(gè)電流(例如圖2的IH、IV)的比，絕對(duì)值功率調(diào)節(jié)器72設(shè)定兩個(gè)電流之和的幅度。如上所述，幅度和電流比的調(diào)節(jié)控制峰值的深度和強(qiáng)度?？缃舆B線75a和75b的控制器75同步觸發(fā)兩個(gè)固體放電開(kāi)關(guān)73和74，以便保證同時(shí)同相地發(fā)生抵消和相應(yīng)的峰值/聚焦效果。
對(duì)于圖2的上述說(shuō)明的四線圈結(jié)構(gòu)的情況，兩個(gè)與圖7所示的電路一樣的電路是同步的，它們的絕對(duì)功率調(diào)節(jié)器用另一個(gè)可掃描的比率調(diào)節(jié)器級(jí)聯(lián)起來(lái)，開(kāi)關(guān)分別連接到一對(duì)正交線圈上，以便產(chǎn)生具有所要求的方向性(即轉(zhuǎn)向)的激發(fā)神經(jīng)纖維或神經(jīng)束的整個(gè)電流矢量的時(shí)間掃描轉(zhuǎn)動(dòng)的所要求的常數(shù)。
6．生物磁檢測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖8表示本發(fā)明的生物磁檢測(cè)器的控制電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這種檢測(cè)器不是多通道系統(tǒng)，而是單通道檢測(cè)器系統(tǒng)，它包括由一個(gè)2圈的水平偏心線圈81和一個(gè)1圈的垂直圓形線圈82構(gòu)成的所發(fā)明的H-V線圈對(duì)。這些線圈及其相應(yīng)的SQUID檢測(cè)器83和84一起在一個(gè)超絕熱的使用液體氦86的真空杜瓦瓶85內(nèi)被冷卻到4°K的溫度。處在靠近杜瓦瓶底88的組織87內(nèi)的神經(jīng)電流源所發(fā)射的低頻生物磁場(chǎng)可穿透該杜瓦瓶。SQUID檢測(cè)器83和84與SQUID變換器和放大器89、90相連接，它們的輸出接到加權(quán)掃描器91上去處理，以便自動(dòng)實(shí)現(xiàn)上述的表面場(chǎng)抵消和深度聚焦?？刂破?2可以用手93控制，并且還接收來(lái)自輸出信號(hào)處理器95的反饋94。也可以采用上述的平面或矢量結(jié)構(gòu)來(lái)替代單正交線圈結(jié)構(gòu)。
可以把幾種這樣的結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)形成標(biāo)準(zhǔn)的軸向或平面梯度計(jì)，以便測(cè)量場(chǎng)微商并更加有效地除掉不希望的環(huán)境場(chǎng)分布。
7．方法下面結(jié)合附圖來(lái)描述在皮下組織110的目標(biāo)區(qū)域112內(nèi)提供峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)27(圖2b)的磁神經(jīng)刺激方法。按照本發(fā)明的方法，成對(duì)的第一和第二線圈相互鄰接地定位在表面120上(包括接近)，見(jiàn)圖2a和圖5a和b，第一線圈中的電流被調(diào)整在第一方向上，該電流對(duì)應(yīng)于皮下組織內(nèi)的第一電場(chǎng)，第二線圈中的電流被調(diào)整在與第一方向相反的方向上，該電流對(duì)應(yīng)于皮下組織內(nèi)的第二電場(chǎng)，電流IV和IH表示于圖2a和2b內(nèi)。在刺激目標(biāo)區(qū)域112的神經(jīng)組織的第一實(shí)施例中，圖7的控制器按相反的方向把電流加到線圈上，以便在目標(biāo)區(qū)112內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)峰值焦點(diǎn)27。在有關(guān)檢測(cè)的第二實(shí)施例中，圖8的控制器從第一和第二線圈按相反方向接收電流，以便檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域112內(nèi)的電場(chǎng)峰值焦點(diǎn)27處的電流。在刺激的情況下，表面120與目標(biāo)區(qū)112之間電場(chǎng)最小，而在檢測(cè)的情況下，來(lái)自表面120與目標(biāo)區(qū)112之間的組織的干擾或噪聲信號(hào)最小。調(diào)節(jié)第一和第二線圈的電流比就能把峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)27定位于組織內(nèi)，調(diào)節(jié)第一和第二線圈的電流幅度就能在組織內(nèi)控制峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)27的深度114。
上面已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，基于對(duì)說(shuō)明書(shū)的閱讀和理解，將會(huì)產(chǎn)生其他改型和變形方案，就此而言，所有這些改型和變形都應(yīng)包含在權(quán)利要求書(shū)或其等同概念的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種聚焦于組織表面下方的皮下神經(jīng)組織的目標(biāo)區(qū)域的磁神經(jīng)設(shè)備，該磁神經(jīng)設(shè)備包括控制電路，連接在控制電路上的至少一對(duì)相鄰接的線圈(21,22),至少一對(duì)相鄰接的線圈的每一個(gè)線圈有一個(gè)分離的電流通路，在分離的電流通路上帶有相反方向的電流，至少一對(duì)相鄰的線圈定位于組織的表面上，以便在皮下神經(jīng)組織的目標(biāo)區(qū)域(112)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)(27)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于一對(duì)相鄰接的線圈中的至少一個(gè)包括至少一圈的偏心線圈(30)，其中偏心線圈有寬的弱場(chǎng)區(qū)域(31)和第二窄的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域(32)。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于寬的弱場(chǎng)區(qū)域(31)內(nèi)的偏心線圈(30)的第一圈具有預(yù)定的高度(204)和預(yù)定的寬度(206)；強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域(32)內(nèi)的偏心線圈(30)的第一圈具有比預(yù)定的高度(204)大幾倍的高度(202)和比預(yù)定的寬度(206)小幾倍的寬度(208)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于至少一對(duì)相鄰接的線圈包括一個(gè)水平線圈(21)，一個(gè)垂直線圈(22)，該水平線圈被定位在基本平行于組織表面(120)的平面上，該垂直線圈定位于基本與組織表面(120)正交的平面上。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于至少一對(duì)相鄰接的線圈(51,53；51a,53a)由一對(duì)被定位在基本平行于組織表面的平面上的水平線圈構(gòu)成。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于控制電路還包括為改變峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)的位置而調(diào)節(jié)該對(duì)相鄰接的線圈對(duì)的每個(gè)線圈的電流比的裝置。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于控制電路還包括為改變峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)的深度而調(diào)節(jié)該至少一對(duì)相鄰接的線圈的電流幅度的裝置。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于有兩對(duì)相鄰接的線圈，并且控制電路調(diào)節(jié)每對(duì)線圈的電流，以便使組織內(nèi)的峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)的位置轉(zhuǎn)向；一對(duì)線圈以預(yù)定的轉(zhuǎn)角疊置在另一對(duì)線圈的上方。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于預(yù)定的轉(zhuǎn)角是90度。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于至少一對(duì)相鄰接的線圈中的每個(gè)線圈的大小、圈數(shù)和形狀構(gòu)成為使峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)定位在皮下組織。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于控制電路包括跨接在至少一對(duì)相鄰接的線圈的每個(gè)線圈上的充電單元，分別與每個(gè)線圈串連并連接到充電單元輸出端的開(kāi)關(guān)，連接到充電單元和開(kāi)關(guān)的控制器，用來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)把電流從充電單元同步同時(shí)地送到線圈。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于控制單元包括跨接在至少一對(duì)相鄰接的線圈的每個(gè)線圈上的SQUID檢測(cè)器，連接到每個(gè)SQUID檢測(cè)器的輸出端的放大器，連接到放大器輸出端的加權(quán)掃描器，連接到加權(quán)掃描器輸出端的信號(hào)處理器，以及連接到加權(quán)掃描器和信號(hào)處理器的控制器。
13．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于至少一對(duì)相鄰接的線圈有相鄰的線性區(qū)域。
14．根據(jù)權(quán)利要求1的磁神經(jīng)設(shè)備，其特征在于至少一對(duì)相鄰接的偏心線圈的每個(gè)線圈具有至少一個(gè)如下的參數(shù)a．線圈直徑1至10cm，b．圈數(shù)1至10圈，c．橫截面積1至10mm2。
15．一種在組織表面下方的皮下神經(jīng)組織的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)提供峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)的磁神經(jīng)方法，包括如下步驟相互鄰接的表面上定位第一和第二線圈，在第一方向上調(diào)節(jié)第一線圈中的電流，第一方向上的電流對(duì)應(yīng)于皮下組織中的第一電場(chǎng)，與第一方向相反的方向上調(diào)節(jié)第二線圈中的電流，該相反方向的電流對(duì)應(yīng)于皮下組織中的第二電場(chǎng)，通過(guò)第一電場(chǎng)和第二電場(chǎng)的相互作用來(lái)在皮下組織中的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)提供電場(chǎng)峰值焦點(diǎn)。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的磁神經(jīng)方法，其特征在于定位第一線圈和第二線圈的步驟是使第一線圈于基本平行組織表面，而第二線圈基本與組織表面正交。
17．根據(jù)權(quán)利要求15的磁神經(jīng)方法，其特征在于定位第一線圈和第二線圈的步驟是使第一線圈于基本平行組織表面，而第二線圈基本與組織表面正交。
18．根據(jù)權(quán)利要求15的磁神經(jīng)方法，其特征在于還包括如下步驟調(diào)節(jié)第一線圈對(duì)于第二線圈的電流比，以把峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)定位于皮下組織內(nèi)。
19．根據(jù)權(quán)利要求15的磁神經(jīng)方法，其特征在于還包括如下步驟調(diào)節(jié)第一線圈和第二線圈的電流幅度，以在皮下組織內(nèi)控制峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)的深度。
20．根據(jù)權(quán)利要求15的磁神經(jīng)方法，其特征在于還包括如下步驟把電流提供給第一線圈和第二線圈，以在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生最大電場(chǎng)，并在表面和目標(biāo)區(qū)域之間產(chǎn)生最小電場(chǎng)，由此來(lái)刺激目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)組織。
21．根據(jù)權(quán)利要求15的磁神經(jīng)方法，其特征在于還包括如下步驟檢測(cè)第一和第二線圈內(nèi)的電流，以檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)組織的神經(jīng)電流。
全文摘要
一種磁刺激和檢測(cè)動(dòng)物和人的神經(jīng)系統(tǒng)的方法和設(shè)備,可以把峰值電場(chǎng)有選擇地并可電調(diào)地提供到神經(jīng)組織的皮下目標(biāo)區(qū),相鄰線圈的電流方向相反,以便抵消近表面電場(chǎng)并在目標(biāo)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)。該峰值電場(chǎng)焦點(diǎn)的深度和位置能夠調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)向。在一個(gè)實(shí)施例中,用最大電場(chǎng)能量的峰值來(lái)刺激神經(jīng)組織的目標(biāo)容積,在第二實(shí)施例中,檢測(cè)目標(biāo)容積內(nèi)的神經(jīng)電流。
文檔編號(hào)A61N2/00GK1224367SQ96180330
公開(kāi)日1999年7月28日 申請(qǐng)日期1996年4月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月26日
發(fā)明者J·埃德里希, 張通勝 申請(qǐng)人:烏爾姆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究中心