新型128导大脑磁刺激仪的研制

　　1　引　　言

　　1985年,Barker等人将平面线圈置于正常人运动区的头皮上,观察到手肌抽动,用表面电极在小指外展肌记录到运动皮质诱发电位。在这以后的几十年里,磁刺激以其无创无痛的特点在临床诊断和治疗上得到了广泛的应用[1-3]。

　　在大脑内,不同的脑区管理不同的功能,如运动区、记忆区等。因此在研究或应用中,应针对目标部位进行足够强度的刺激,尽量减小其他部位得到的磁场强度,以保证研究结论的准确性并将对受刺激者的影响减小到最低。这就要求刺激仪器能够实现刺激强度,刺激深度和刺激范围的可控制性。

　　在对脑内不同部位进行刺激时,除刺激强度、深度和范围外,需要的刺激频率和刺激时间也会相应不同;在研究人脑的某些活动时,如人脑完成一个思维过程,多个功能脑区会参与活动,而且参与的时间有先后顺序,这就涉及到分时刺激和刺激路径的问题,线圈需要迅速精确地转换其位置;有时又需要有不同的靶点同时接受磁刺激,如睡眠研究中[4-5]的中缝核是位于脑干中缝附近狭窄区域内的数个核团,此时每个核团则需要同时被刺激。显然当前普遍使用的单线圈系统无法满足以上要求,为此本文研制了新型128导大脑磁刺激仪。

　　2　小线圈组电磁场分析

　　2.1　电磁场环境的模拟

　　线圈中的电流以一定的规律变化,并在周围的环境中产生磁场,根据毕奥-萨法特定理可推知线圈产生磁场的表达式为:

　　为准确分析线圈组电磁场和观察脑内磁场分布,要尽可能模拟现实磁刺激电磁场环境。磁刺激中主要涉及物体包括线圈、空气和接受刺激的大脑,由它们共同构成磁刺激环境。

　　本文采用有限元方法[6-11]对线圈组电磁场进行分析并提出一种真实头模型法对大脑进行有限元建模。真实头模型法是指用从真人头部核磁共振图像重建出的三维真实头模型对大脑进行模拟,并将其转化成可以进行有限元分析的有限元模型。在头部核磁共振图片中,脑内不同组织有着不同的灰度值范围。使用医学影像控制系统MIM-ICS[12-15]对129张真人头部核磁共振图片进行处理,根据灰度值提取出目标组织(提取出头皮、颅骨、脑脊液、脑4层组织)。得到目标组织几何形状后,再给组织赋予材料属性。由于研究对象是线圈在脑内产生的电磁场,所以各层组织将会根据对应的灰度值被赋予相应的电导率和磁导率。其中各层的电导率分别为:头皮0. 33 S/m、颅骨0.042 S/m、脑脊液1.0 S/m和皮层0.33 S/m。磁导率都为1H/m。图1显示的是三维重建出的4层脑组织。

　　重建出的三维真实头模型是一个在形状上逼近真实头部的几何实体,需要进一步的后期处理转化为有限元模型。先将头模型导入三维模型处理软件Magics进行平滑处理。由于处理的目标体形状十分复杂且含有过多的几何细节,在不影响计算结果的前提下,去除掉一些不必要的突起和填补表面洼洞后,头模型被导入ANSYS进行网格划分转化为有限元模型。图2显示了有限元头模型。