便攜式經顱磁刺激儀的技術進展

楊春林，蔣振洲，吳書峰，李小俚

1.燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島066004；2.北京師范大學 認知神經科學與學習國家重點實驗室，北京100875

便攜式經顱磁刺激儀的技術進展

楊春林1，蔣振洲1，吳書峰1，李小俚2

1.燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島066004；2.北京師范大學 認知神經科學與學習國家重點實驗室，北京100875

欄目主編：李小俚

李小俚，博士，二級教授和博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，德國洪堡學者、教育部新世紀優秀人才支持計劃獲得者和河北杰出青年科學基金獲得者。現任北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室副主任，北京腦重大疾病防治研究院特聘專家。且1998年4月至2009年6月，先后在香港城市大學、德國漢諾威大學、香港中文大學和英國伯明翰大學從事科研工作。主要從事神經信息與工程、自動智能狀態監控、微弱信號檢測與信號處理等領域的研究工作。至今在國際期刊上發表論文150多篇，SCI收錄145篇。

經顱磁刺激技術作為一種腦調控技術，已經被證明可以有效地應用于腦功能檢測、心理和神經疾病的診斷與治療，目前在臨床診療及康復領域得到越來越多的應用。而現有的經顱磁刺激儀大多體積龐大、價格昂貴，難以滿足日益增長的家庭和社區醫療服務的需求，為此，便攜式經顱磁刺激儀得到越來越多的關注。便攜式經顱磁刺激儀也取得了長足的進步，本文將為大家介紹便攜式經顱磁刺激儀的技術進展。

經顱磁刺激；便攜式；腦調控

1 經顱磁刺激技術的基本原理與應用

經顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）的基本原理是把一個絕緣線圈放在頭皮特定部位上，通過控制與線圈接通電容器的快速導通與關斷，在線圈中產生高強度脈沖電流，進而在線圈周圍產生一個強有力而短暫的脈沖磁場，磁場穿過皮膚、軟組織和顱骨，在大腦神經組織中產生感應電流，當感應電流超過神經組織興奮閾值時，引起神經細胞去極化并產生誘發電位，從而產生生理效應。其最終效應既可以引起暫時的大腦功能興奮或抑制，也可引起長時程的皮質可塑性調節[1]。

由于生物組織導磁率基本均勻，磁場容易透過皮膚和骨頭到達深部組織，既生物組織本身基本上不會使磁場產生衰減，因而磁刺激可無創傷地應用于深部神經刺激；皮膚和骨頭電阻率大，而感生電流與組織電阻率成反比，因此磁刺激時只有微小電流通過皮膚，基本無不適感；磁刺激線圈不與身體有任何接觸，不需對皮膚進行任何預處理就可以直接刺激，機體與外界無電氣聯系，電安全性好[1-2]。

經過二十多年的研究與臨床應用，經顱磁刺激已經被證明在治療帕金森病、癲癇及相關運動障礙、抑郁癥及情緒障礙、腦卒中、精神分裂癥以及慢性痛等疾病有著廣泛的應用前景[3-4]。最新的一些研究表明經顱磁刺激在一些新的領域也有應用價值，如改善人的記憶[5]，對煙癮、酒癮以及毒癮的治療[6-7]。

2 經顱磁刺激技術的發展

TMS技術起源于1985年Barker等[8]研發出第一臺現代經顱磁刺激儀，由于當時技術條件所限，他們研制出的經顱磁刺激儀只能進行單脈沖刺激。Pascual-Leone等[9]首次提出了重復經顱磁刺激（rTMS），并由美國的Cadwell公司首先生產出來。近些年，Peterchev等[10-11]通過利用IGBT替換常用的可控硅作為控制開關，研制出了脈沖寬度可調控的經顱磁刺激儀，將經顱磁刺激儀的研制推向了一個新的階段。國外對于經顱磁刺激技術的研究起步早，在經顱磁刺激儀器方面，已經出現多種技術成熟、設計優良的經顱磁刺激儀，如英國Magsim公司的200系列、BiStim系列、Rapid系列，美國Medtronic公司（原丹麥的DANTEC）生產系列設備。經顱磁刺激技術進入國內時間較晚，目前武漢依瑞德公司已經成功的實現了經顱磁刺激儀器的研制與商品化生產。

3 便攜式經顱磁刺激儀

隨著研究的不斷深入，經顱磁刺激儀的應用的領域越來越廣泛，而現有的經顱磁刺激儀設備大多體積龐大、價格昂貴，一般只有大型醫院才能配備，患者必須到醫院才能接受治療。為了滿足家庭和社區醫療服務的需要，需要研發一種體積小、重量輕、價格較低的經顱磁刺激儀，研發人員很早開始關注便攜式經顱磁刺激儀，但由于關鍵技術的限制，便攜式經顱磁刺激儀一直未有大的進展，最近幾年技術不斷進步[12-13]，以美國eNeura（Neuralieve）公司為代表的一些研發機構[14-15]，已開始研發便攜式經顱磁刺激儀。

4 便攜式經顱磁刺激儀的關鍵技術及發展現狀

經顱磁刺激技術是一種能量轉換技術。經顱磁刺激儀工作過程中，能量由電能轉化為磁能，再由磁能轉化為電能。在經顱磁刺激儀中的能量相互轉化過程，涉及儲能電容、能量釋放電路、刺激線圈等幾個必不可少的關鍵部分，且其是整個儀器中體積較大的部分，研制便攜式經顱磁刺激儀必須做好這幾部分。圖1為便攜式經顱磁刺激系統結構示意圖，輸入的直流電源電壓24 V通過升壓電源模塊升壓到控制模塊設定的電壓給儲能電容充電，電容充滿后將狀態反饋給控制模塊，控制模塊根據用戶設置判定是否進行放電刺激，同時控制模塊通過溫度檢測電路對各個功能模塊的溫度進行實時檢測。

圖1 便攜式經顱磁刺激系統結構示意圖

4.1 儲能電容

儲能電容是經顱磁刺激儀的核心部件，儲能電容的性能直接決定了經顱磁刺激儀的性能。在研制大型經顱磁刺激儀的時候如何選取合適的電容，通常只需要關注電容的額定電壓值、耐壓值、容值以及等效電阻等幾個方面，一般不考慮體積的因數，所以現在的大型經顱磁刺激儀的儲能電容，大多體積較大。而研制便攜式經顱磁刺激儀儲能電容時體積則成為一個非常重要的因素，市面上已有的電容很難同時滿足高電壓、大容量、低等效電阻和小體積的要求，現在有很少的廠家具備生產這種電容的能力，但需要單獨進行定制生產，成本較高。現在常用的解決方案是采用電容串并聯的方式，這種方式在體積上有很好的靈活性，同時又能降低電容組的等效電阻，提高電容組的耐壓值。

4.2 能量回收電路

在經顱磁刺激儀工作過程當中消耗了大量的電能，一般單次刺激脈沖消耗能量在幾十焦耳（J）到幾百焦耳（J）不等[16]，而最終消耗在靶區的能量不及整個消耗的能量的1/100[17]，大多數的能量消耗在刺激線圈、能量釋放電路和儲能電容的發熱，還有部分能量以電磁波的方式輻射到周圍空間里。如何提高刺激過程中能量的利用效率，從而降低單次刺激所需要的能量就成為研制便攜式經顱磁刺激儀需要突破的一個技術點[2]。要突破這個技術點，就需要從消耗能量最多的部分入手，即降低整個回路的發熱量，這也有助于線圈的冷卻。降低整個回路的發熱量有三種途徑。第一，降低整個回路的等效電阻；第二，降低單次刺激的平均電流；第三，采用新的控制模式。要保證刺激強度就需要保證刺激電流，所以第二種方法不可取。那么我們能做的就是第一種和第三種方法，對于第一種方法能改進的需要更多研究，相對于儲能電容的等效電阻，刺激線圈和釋放電路的等效電阻改進的意義已經不大，要降低儲能電容的等效電阻需要更多的研究和時間。現在研究人員的目光更多的聚焦在第三種方法上，Peterchev等[10-11]研發的刺激脈沖波形可控經顱磁刺激儀（cTMS）就是一個很好的嘗試，這為便攜式經顱磁刺激儀的研發提供新的思路。

4.3 刺激線圈的優化

刺激線圈作為整儀器的輸出端，輸出能量直接作用于靶區，所以刺激線圈也經顱磁刺激儀的至關重要的部件[18-20]。現在商業上用的刺激線圈多為圓形線圈和“8”字形線圈，這些線圈在聚焦性和刺激深度方面都有進一步優化的需要[19,21-22]。2014年，Koponen等[16]在文章中提出了最小刺激能量線圈，他們設計出的線圈在達到同樣的刺激效果時消耗的能量要比常規線圈減少73%，但是他們設計出的線圈制作起來比較麻煩，體積較大，聚焦點比較固定。2015年，Sekino等[23]人設計的偏心“8”字形線圈，該線圈在達到同樣的刺激效果時需要的驅動電流密度要比常規的“8”字形線圈小18%，該線圈制作難度小，體積與現有的“8”字形線圈相差無幾，這可以作為便攜式經顱磁刺激的線圈設計的重要參考。

4.4 便攜式經顱磁刺激儀發展現狀

由于便攜式經顱磁刺激技術是在最近幾年才取得長足的進步，目前市面上僅有美國eNeura（Neuralieve）公司開發的兩代便攜式經顱磁刺激儀Cerena TMS[14]和Spring TMS[15]，Cerena TMS于2013年5月通過了美國FDA的認證，Spring TMS于2014年3月通過了美國FDA的認證，現在Spring TMS已經正式投放市場，公開資料顯示該產品的性能參數為：該產品的每一個刺激周期為2 min，每一個刺激周期產生2個刺激脈沖，一個刺激周期完成后需要間歇5 min才能進入下一個周期；每一個刺激脈沖需要能量140 J；刺激的磁感應強度達到0.9 T；供電方式為內部鋰電池供電；刺激線圈采用內置的方式；產品的長為23 cm，寬為13 cm，高為8 cm；重量為1.7 kg[14]。該產品是國際上普遍認可的一種便攜式經顱磁刺激儀。

北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室設計并研制出了一款便攜式經顱磁刺激儀，這款便攜式經顱磁刺激儀達到Cerena TMS和Spring TMS高刺激磁感應強度，克服了Cerena TMS和Spring TMS刺激頻率偏低的問題，其具體設計性能參數為：供電方式鋰電池與外接適配電源；設計長為25 cm，寬為18 cm，高為8 cm；設計主機重量為2 kg；設計刺激磁感應強度為1 T；設計刺激頻率為0.1～10 Hz連續可調，保證刺激強度的刺激頻率為0.5 Hz；刺激線圈采用外置可插拔式。目前研制出樣機一臺，其測試性能基本達到設計要求。現在正對樣機的穩定性、可靠性和安全性做進一步的測試。便攜式經顱磁刺激系統實物圖，見圖2。

圖2 便攜式經顱磁刺激系統實物圖

5 總結

隨著經顱磁刺激技術的不斷進步，便攜式經顱磁刺激儀將成為經顱磁刺激技術發展新的趨勢，會有越來越多的科研人員和社會資源投入到該領域當中，這必將推進便攜式經顱磁刺激儀的技術進步，也會有越來越多的便攜式經顱磁刺激儀問世，這些便攜式經顱磁刺激儀的出現又將極大的拓寬顱磁刺激技術的應用前景，降低使用成本，使更多的腦功能障礙患者得到有效的治療，同時降低腦功能障礙研究的技術門檻，提供技術平臺支持，讓更多的研究者能夠進入該領域，推動腦功能障礙研究的不斷進步。

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Overview of Advances in Portable Transcranial Magnetic Stimulation Techniques

YANG Chun-lin1, JIANG Zhen-zhou1, WU Shu-feng1, LI Xiao-li2
1. School of Electric Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China; 2. National Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

Transcranial magnetic stimulation (TMS), which is a brain modulation technology for brain function, can be effectively used in the detection, diagnosis, and treatment of mental illnesses and neurological disorders. TMS is widely applied in the clinical diagnosis and treatment and rehabilitation of brain disorders. The existing transcranial magnetic stimulator, however, is mostly bulky, expensive, and diffi cult to meet the growing demand from family and community health services. Therefore, portable transcranial magnetic stimulation (portable TMS) has gained more and more attention. The techniques have been improved significantly. This article provides introduction of the progression of portable transcranial magnetic stimulation techniques.

transcranial magnetic stimulation; portable; brain modulation

R318.03

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.01.003

1674-1633(2016)01-0013-03

2015-09-17

國家自然科學基金（No.61273063）；中央在京高校重大成果轉化項目（北京市教委）。

李小俚，教授。

通訊作者郵箱：xiaoli@bnu.edu.cn