腦深部電刺激中的平面線圈信號耦合技術(shù)

　　磁芯和磁罐

　　由于鐵磁材料的磁導率很大，所以鐵芯具有使磁場集中到其內(nèi)部的作用。為了使信號的傳輸效率最大，可以在線圈周圍加上磁罐或內(nèi)部放置磁芯，以增加初次級線圈之間的互感，提高耦合效率。如果使兩個線圈同時經(jīng)過一根鐵芯，可以使次級線圈得到信號的幅度為最大，但由于兩個線圈分別位于頭顱兩側(cè)，因此需分別使用一對彼此分離的鐵磁材料互相配合來增加互感。

　　信號耦合

　　本文中所討論的平面圓盤形線圈耦合技術(shù)，是首次將線圈能夠耦合交流信號這一特點用在腦深度電刺激之中，耦合到的信號否能滿足治療帕金森病的刺激強度是研究的關(guān)鍵。在腦深度電刺激的治療中，刺激的強度和頻率依刺激的部位不同而不同[9]，但大致的范圍如下。

　　刺激頻率：100～250Hz

　　脈沖寬度：60～210μs(平均脈寬為150μs)

　　電壓幅值：1~3.75V(平均2.025V，最高可達10.5V)

　　主要刺激部位：雙側(cè)丘腦底核(STN),其他部位還包括內(nèi)側(cè)蒼白球腹后部(Gpi)和丘腦腹外側(cè)核的腹中間核(Vim)[10]

　　因此只要次級線圈接收到的信號在額定的負荷下達到上述強度，即可滿足要求。

　　電路設計

　　電路設計要考慮到刺激系統(tǒng)的魯棒性，即兩級線圈在一定范圍內(nèi)發(fā)生相對位置變化時仍能保證輸出刺激參數(shù)有效的特性。因此，在本電路中選擇各參數(shù)如下：初級線圈為800匝，信號產(chǎn)生電路為一三極管開關(guān)電路，使初級線圈產(chǎn)生一個頻率為130.7Hz、幅度為5V脈沖信號，脈沖寬度需根據(jù)次級線圈的脈沖寬度調(diào)節(jié)，實驗選定在1.65ms。次級線圈為1000匝，負載為丘腦底核(STN)的平均阻抗1kΩ，次級線圈接收到的信號頻率為130.9Hz，脈沖寬度120ms，峰峰值根據(jù)有無鐵芯、線圈之間距離以及偏心距的不同而不同。

　　鐵芯的影響

　　可以肯定，鐵芯可以減少線圈之間的漏感，使次級線圈信號的峰峰值更大，這一點也可以從實驗中看出。保持初級線圈產(chǎn)生的信號不變，并且使兩線圈圓心對準，在兩個線圈之間距離保持5.5mm不變的情況下，如果不放入鐵芯，次級線圈得到的信號峰峰值為3.40V。若在初級線圈內(nèi)放入磁芯，次級線圈外套有磁罐(磁罐與磁芯相比，在顱內(nèi)更具有體積優(yōu)勢)，次級線圈得到的信號峰峰值為10.6V，是無磁芯時的三倍。

　　兩線圈之間的距離與放置在顱內(nèi)的位置有關(guān)，當放置在大腦頂部時，由于成人顱頂骨的厚度約為5mm左右，最厚的部位可達10mm，所以使兩線圈之間的距離限制在10mm以內(nèi)。

　　線圈之間距離的影響

　　設兩線圈平面之間的距離為d，在初級線圈內(nèi)放有鐵芯，次級線圈外套有磁罐的情況下，保持兩線圈的中心軸一致，測量在不同距離d下得到的次級線圈信號峰峰值A，見表1和圖3。

　　從曲線圖中不難看出，兩線圈之間的距離與次級線圈峰峰值近似成負指數(shù)關(guān)系，在距離為5mm左右時，微弱的距離變化會引起一個較大的次級信號強度的變化，但是在5.5mm～12mm范圍內(nèi)的信號值均可以滿足刺激需要，因此具有一定的魯棒性。但是，在后續(xù)的設計中仍要特別注意帕金森病人由于自身運動導致線圈之間距離變化而引起的次級信號的變化，盡量初級線圈固定在患者頭皮以得到最大的刺激強度。

　　線圈偏心距的影響

　　在外置式腦起搏器中，由于有一個線圈在體外，因此，兩個線圈除了距離的變化以外，還有可能產(chǎn)生平面的滑移，那么線圈偏心距對次級線圈信號強度的影響也是必須考慮的因素之一。實驗中初級線圈的脈沖頻率f=136Hz，脈寬Tw=1.65ms，幅值為5V。當兩線圈保持間距d=7mm時，測量不同偏心距r下次級線圈得到的信號峰峰值A，見表2和圖4。

　　從曲線中可以看出，兩線圈偏心距r與次級線圈峰峰值之間近似成線性關(guān)系，隨著偏心距r的增大而減小。可以看出系統(tǒng)在一定的偏心范圍內(nèi)均可達到刺激強度的需要，也具有一定的魯棒性。但在實際使用當中，仍應當增加一個對準的裝置，以盡量保證兩個線圈的中心軸能在一條直線上，得到最大的刺激信號和最高的效率。

　　結(jié)語

　　本文首次將線圈耦合交流信號這一原理引入了帕金森病的治療當中，提出了外置式腦起搏器的設計方案。對平面線圈的各個參數(shù)進行了計算，分析了次級信號的強度與各種參數(shù)之間的關(guān)系，為后續(xù)的設計提出了指導性的方案。實驗證明設計的刺激信號可完全滿足腦深度電刺激的要求，并且系統(tǒng)具有一定的魯棒性。

　　參考文獻

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