深部经颅磁刺激脑内感应电场分布的仿真研究与线圈设计

发布时间：2017-09-29 21:30

  本文关键词：深部经颅磁刺激脑内感应电场分布的仿真研究与线圈设计

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【摘要】：经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)是一种无创的神经刺激技术,已应用于多种精神类疾病和神经系统疾病的诊断与治疗。研究表明,抑郁症、自闭症、精神分裂等精神障碍或疾病的发病机制与深部脑组织功能异常有关,但是目前的磁刺激技术和线圈仅适合对浅层皮质的刺激,难以对深部组织形成有效的刺激。本文研究的深部经颅磁刺激技术旨在增加刺激深度,同时尽量避免对浅层皮质产生影响。本文首先提出了一种基于MRI数据建立真实头部模型的方法,在此基础上建立了平行头部外轮廓的H型线圈模型。通过H型线圈的仿真研究,分析头皮、大脑深部边缘系统的电场分布,结果显示H型线圈产生的电场在头皮不聚焦,但在边缘系统的前部,即前扣带回区域聚焦。为评估H型线圈的刺激深度,定义头皮-边缘系统感应电场峰值之比作为评估参数。通过优化H型线圈导线的间隔,提高其深部特性。优化结果显示前额叶前面导线数量为4,间隔为前面导线分布范围的三分之一时；前额叶侧面导线数量为7,间隔为侧面导线分布范围六分之一时；前额叶上面导线间隔为5-6mm时,取得较好深部特性。在此基础上,本文还对8字线圈、H型线圈、双锥线圈、Halo线圈,以及H-Halo组合线圈的深度特性进行了比较,其中Halo线圈和H-Halo组合线圈还比较了电流方向对引起的电场分布和刺激深度特性的影响。结果发现Halo线圈(电流同向)、H型线圈、H-Halo组合线圈(电流同向)的深部特性较好。Halo线圈和H-Halo组合线圈电流同向时,同时增强头皮电场和边缘系统电场强度,但边缘系统电场强度增加较多；Halo线圈和H-Halo线圈电流反向时,同时减弱头皮电场和边缘系统电场强度,边缘系统电场强度减弱较多,但是Halo线圈和H-Halo组合线圈的反向电流可以明显减弱眼眶附近的电场强度,减弱了电场对眼部和面部组织影响。最后,本文分别采用电感系数法和能量法计算了线圈的电感。对于规则线圈,直接通过解析函数进行线圈电感的计算；对于非规则线圈,由能量法计算出线圈产生的磁场能量,再得到线圈电感。本文制作了一款与磁刺激仪匹配的刺激线圈,检测结果表明利用此方法设计的线圈电感的理论值和测量值基本一致。综上所述,本文提出了一种深部磁刺激中真实头模型的建模方法,提出了H型线圈优化方案,为深部磁刺激仿真研究及线圈设计提供了有益思路。与此同时,本文还提出了一种针对复杂结构的线圈的电感计算方法,并进行了相应的仿真和制作,为磁刺激线圈产品化提供了理论支撑。
【关键词】：深部经颅磁刺激 真实头模型 H型线圈 线圈电感
【学位授予单位】：北京协和医学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441;R741
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 引言9-15
• 1.1 深部经颅磁刺激研究背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.3 问题提出12-13
• 1.4 研究目的与研究内容13-15
• 1.4.1 研究目的13
• 1.4.2 研究内容13-15
• 第二章 深部经颅磁刺激基本原理15-23
• 2.1 经颅磁刺激的神经电生理基础15-17
• 2.1.1 神经细胞结构基础15-16
• 2.1.2 动作电位的产生机制16-17
• 2.1.3 动作电位的传导17
• 2.2 深部经颅磁刺激的理论基础17-22
• 2.2.1 深部经颅磁刺激基本原理17-20
• 2.2.2 深部经颅磁刺激线圈设计原则20-21
• 2.2.3 电磁场数值计算方法和过程21-22
• 2.3 小结22-23
• 第三章 基于真实头部的H型线圈模型研究23-37
• 3.1 真实头部电导率模型的建立23-30
• 3.1.1 头部生理结构基础23-24
• 3.1.2 真实头部电导率模型的建模方法24-30
• 3.2 基于真实头部电导率模型的H型深部磁刺激线圈建立30-35
• 3.2.1 H型线圈的结构特点30-31
• 3.2.2 Ansys建模方法简介31-32
• 3.2.3 H型线圈建模步骤32-35
• 3.3 有限元模型的建立与优化35-36
• 3.4 小结36-37
• 第四章 H型线圈在脑内的感应电场分布及线圈优化37-54
• 4.1 H型线圈在颅内电场分布特点37-39
• 4.1.1 单匝H型线圈在颅内的电场分布37-38
• 4.1.2 完整H型线圈在颅内的电场分布38-39
• 4.2 H型线圈的结构优化39-44
• 4.2.1 比较函数建立40
• 4.2.3 导线间隔优化40-44
• 4.3 深部线圈电场分布的比较44-53
• 4.3.1 线圈的建模44-45
• 4.3.2 线圈在头部产生的电场分布45-52
• 4.3.3 线圈的深度特性比较52-53
• 4.4 小结53-54
• 第五章 经颅磁刺激线圈电感的计算方法54-62
• 5.1 计算线圈电感方法54-55
• 5.2 圆形线圈的电感计算55-57
• 5.3 8字线圈的电感计算57-61
• 5.3.1 能量法求解线圈电感的理论分析57-58
• 5.3.2 8字线圈设计58
• 5.3.3 能量法计算电感的影响因素58-60
• 5.3.4 8字线圈参数设计60-61
• 5.4 小结61-62
• 第六章 总结和展望62-64
• 6.1 论文工作总结62-63
• 6.2 问题与展望63-64
• 参考文献64-69
• 发表文章69-70
• 致谢70

【参考文献】

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1 李锦彪,王健,任玉民,刘永胜;干式空心电抗器阻抗参数计算的能量法[J];变压器;1998年06期

2 李金山,陈乔夫;箔式空心电抗器电感及损耗计算[J];变压器;1998年08期

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本文编号：944325