專利名稱：用于腦神經(jīng)磁刺激感應(yīng)電場(chǎng)檢測(cè)的仿體模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及臨床醫(yī)學(xué)腦神經(jīng)刺激治療技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于腦神經(jīng)磁刺 激感應(yīng)電場(chǎng)檢測(cè)的仿體模型。
背景技術(shù)：
經(jīng)顱磁刺激(TMS)是近20年發(fā)展起來(lái)的一種新的刺激技術(shù)，由于磁刺激具有無(wú)創(chuàng)， 操作簡(jiǎn)便，相比于電刺激技術(shù)具有電安全性好等優(yōu)勢(shì)，在神經(jīng)、精神、心理等領(lǐng)域，尤 其是抑郁癥，強(qiáng)迫癥，帕金森癥，癲癇以及創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙等的治療方面，具有很好的 應(yīng)用前景，成為了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。
經(jīng)顱磁刺激裝置主要包含了一個(gè)儲(chǔ)存電荷的電容器和一個(gè)傳遞能量的放電線圈，其 基本工作原理是，利用電容器儲(chǔ)存電荷，當(dāng)電容器內(nèi)的電荷迅速釋放時(shí)，電流通過(guò)刺激 線圈，產(chǎn)生的磁場(chǎng)在腦內(nèi)形成感應(yīng)電場(chǎng)，當(dāng)感應(yīng)電流強(qiáng)度按一定方向達(dá)到一定閾值時(shí)， 可使神經(jīng)細(xì)胞去極化，產(chǎn)生誘發(fā)電位，達(dá)到治療或檢測(cè)祌經(jīng)傳導(dǎo)的目的。
由上所述，通過(guò)磁刺激在大腦皮層特定區(qū)域形成的感應(yīng)電流，是改變大腦皮層興奮 性，進(jìn)行腦祌經(jīng)磁刺激治療的關(guān)鍵因素，感應(yīng)電場(chǎng)的分布是腦祌經(jīng)磁刺激技術(shù)的重要研 究?jī)?nèi)容。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于腦神經(jīng)磁剌激丌展的研究多為基礎(chǔ)的理論仿真研究，對(duì)于腦神經(jīng) 磁刺激皮層感應(yīng)電位的實(shí)驗(yàn)研究，由于測(cè)量需將檢測(cè)電極植入人體頭內(nèi)部，將會(huì)對(duì)人體 造成傷害，而通過(guò)無(wú)創(chuàng)方法檢測(cè)又難以實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于腦神經(jīng)磁刺激大腦皮層電位信號(hào) 的直接檢測(cè)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，需要借助仿體模型進(jìn)行。目前使用的仿體模型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單， 如單一介質(zhì)的半無(wú)限邊界條件，使用鹽水槽作為電磁波傳播介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，或采用 簡(jiǎn)單的球形容器放入一定量生理鹽水，模擬單層的球形邊界條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而，真實(shí) 人體頭部的組織結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各層組織具有不同的電導(dǎo)、介電參數(shù)，使用上述模型進(jìn) 行磁刺激實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)真實(shí)人體大腦皮層的模擬精度較低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)人腦刺激結(jié) 果誤差較大
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題而提供一種用于腦神經(jīng)磁刺激感應(yīng)電 場(chǎng)檢測(cè)的仿體模型，該仿體模型更加接近于人體邊界條件，模擬真實(shí)人體大腦的精度高， 用其進(jìn)行磁刺激實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)人腦刺激結(jié)果相比誤差小。
本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是 一種用于腦神 經(jīng)磁刺激感應(yīng)電場(chǎng)檢測(cè)的仿體模型，包括設(shè)置有丌口的球體結(jié)構(gòu)，所述球體結(jié)構(gòu)包括外 面的頭皮仿體層、位于頭皮仿體層里面的頭骨仿體層，在頭骨仿體層內(nèi)填充有大腦皮層 組織仿體溶液，所述頭皮仿體層和頭骨仿體層之間填充有與頭皮電參數(shù)相同的膠水層， 所述頭皮仿體層、頭骨仿體層、大腦皮層組織仿體溶液的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，在磁
刺激頻段MO kHz范圍內(nèi)，所述頭皮仿體層的電導(dǎo)率為6.5x10—4-3.0xl0—3 S/m，相對(duì)介電 常數(shù)為2.9xl04-3》104，所述頭骨仿體層的電導(dǎo)率為2.0xl0-2-2.1 xl。-2S/m，相對(duì)介電常 數(shù)為5.2xl02-2.7xl03，所述大腦皮層組織仿體溶液的電導(dǎo)率9.9xl0義1.2xl0" S/m，相對(duì) 介電常數(shù)為2.2xl04-1.6xl05。
該仿體模型還設(shè)置有可調(diào)整的固定裝置，所述固定裝置包括與頭皮仿體層固接的橫 梁，所述橫梁通過(guò)連接塊與立柱相連，所述立柱下面連接有底座；所述連接塊上設(shè)置有 與橫梁連接的水平孔和與立柱連接的垂直孔，所述水平孔上設(shè)置有用于壓緊橫梁的螺栓， 所述垂直孔上設(shè)置有用于壓緊立柱的螺栓。
所述固定裝置采用玻璃纖維材料制成。
本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是由于模型構(gòu)造及參數(shù)是按照真實(shí)人體頭部生 理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定制的，因此利用該模型進(jìn)行腦神經(jīng)磁刺激相關(guān)實(shí)驗(yàn)提高了模擬實(shí)驗(yàn)精度， 相比于半無(wú)限邊界條件的鹽水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃秃?jiǎn)單的單層球形模型，該模型能夠在邊界條 件上更接近于真實(shí)的人體頭部結(jié)構(gòu)，從而在實(shí)驗(yàn)測(cè)量和研究中獲得更好的實(shí)驗(yàn)精度，對(duì) 于醫(yī)學(xué)研究具有更高的研究?jī)r(jià)值；該模型由不易變質(zhì)的材料加工制成，因此模型宜于長(zhǎng) 久保存和反復(fù)使用；該模型具有相關(guān)測(cè)量開口及固定調(diào)整裝置，模型高度可調(diào)，便于進(jìn) 行磁刺激線圈不同位置的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1的俯視圖3是本實(shí)用新型連接塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、頭皮仿體層，2、頭骨仿體層，3、大腦皮層組織仿體溶液，4、膠水層，5、 測(cè)量開口， 6、連接塊，6國(guó)1、水平孔，6-2、垂直孔，7、橫梁，8、立柱，9、底座，10、 11、螺栓。
具體實(shí)施方式
為能進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合
附圖詳細(xì)說(shuō)明如下
請(qǐng)參閱圖l、圖2和圖3，本實(shí)用新型基于腦神經(jīng)磁刺激原理，對(duì)磁刺激放電電流信
號(hào)，利用仿真軟件對(duì)穿過(guò)頭皮頭骨等組織后，磁場(chǎng)在皮層形成的感應(yīng)電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行了模 擬，、通過(guò)傅立葉變換分析信號(hào)頻譜中各頻率成分情況，確定頭部各層組織參數(shù)情況，進(jìn) 而選擇對(duì)應(yīng)參數(shù)材料，進(jìn)行仿體制作。
考慮到用于腦神經(jīng)磁刺激的磁剌激儀放電電流信號(hào)，
<formula>formula see original document page 5</formula>其中，C電容，C/為充電電壓，丄為電感，i 為電阻，/為時(shí)間。
通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得到大腦皮層的感應(yīng)電場(chǎng)信號(hào)，由于感應(yīng)電場(chǎng)信號(hào)中由多個(gè)頻率成 分組成，需進(jìn)行傅立葉變換，以分析腦神經(jīng)磁刺激中，主要的頻率成分。傅立葉變換公
式如下
其中C"為感應(yīng)電場(chǎng)信號(hào)，G(Z)為感應(yīng)電場(chǎng)傅立葉變換，w。為頻率，T為周期，n為信
號(hào)傅立葉變換序列號(hào)。
從而得到感應(yīng)電場(chǎng)的頻譜，經(jīng)過(guò)頻譜分析即可確定放電波形中主要的頻率成分為 l-10kHz，并以此作為磁刺激感應(yīng)電場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)仿體模型頻率特性參數(shù)選取的主要依據(jù)。
根據(jù)以上分析，結(jié)合相關(guān)的醫(yī)學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)，人體在l-10kHz范圍內(nèi)各層組織參數(shù)如 表l。表1.人體頭部各層主要組織及電參數(shù)
組織
頻率范圍
電導(dǎo)率[S/m]
相對(duì)介電常數(shù)
頭皮 1-10 kHz 0.00065738-0.0029317
頭骨 1-10 kHz 0.020157-0.02043
大腦灰質(zhì)1-10 kHz 0.098805-0.11487
29010-32135 521.64-2702.4 22241-164060
另一方面，由于人體頭部組織接觸緊密，且當(dāng)模型各部分組織仿體間存在空氣間隙 時(shí)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，因此模型各層組織仿體材料需要緊密接觸。本發(fā)明采用 固體與液體相結(jié)合的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，模型分為以下幾部分頭皮仿體層l，頭骨仿體層2，大 腦皮層組織仿體溶液3，模型設(shè)置有測(cè)量開口5，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)探頭可以從測(cè)量開口 5伸入進(jìn) 行測(cè)量。
其中頭皮仿體層1的材質(zhì)的基質(zhì)是液態(tài)硅橡膠，加入5%-10% (質(zhì)量比，下同)鋁 酸釔和0.05。/。-0.3n/。的SnO2高溫混煉，入模硫化制成頭皮仿體層；以下提供幾個(gè)頭皮仿體
層的實(shí)例
實(shí)例l:基質(zhì)是液態(tài)硅橡膠，加入5。/。的鋁酸釔和0.3。/。的SnO2高溫混煉，入模硫化 制成頭皮仿體層。在磁刺激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率為2.7xl(T3-3.0xl(r3 S/m，相對(duì)介電常數(shù)為2.9xl04-2.93xl04。，
實(shí)例2:基質(zhì)是液態(tài)硅橡膠，加入7.5%的鋁酸釔和0.2%的Sn02高溫混煉，入模硫 化制成頭皮仿體層。在磁剌激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率為 2.0xl(T3-2.3xlO-3S/m，相對(duì)介電常數(shù)為3.0xl04-3.03xl04。
實(shí)例3:基質(zhì)是液態(tài)硅橡膠，加入10%的鋁酸釔和0.05%的Sn02高溫混煉，入模硫 化制成頭皮仿體層。在磁刺激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率為 6.5xl()4-8.0xl0-4s/m，相對(duì)介電常數(shù)為3.16><104-3.2><104。
頭骨仿體層2可由鈦酸鋇加入2%-6.5%的乙炔黑混合，燒結(jié)后可制成。以下提供幾 個(gè)頭骨仿體層的實(shí)例
實(shí)例l:基質(zhì)采用鈦酸鋇，加入2%的乙炔黑混合，燒結(jié)后制成頭骨仿體層。在磁刺 激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率為2.00x10-2-2.02xl(T2S/m，相對(duì)介電常 數(shù)為5.2xl02-8.7xl02。
實(shí)例2:基質(zhì)采用鈦酸鋇，加入4%的乙炔黑混合，燒結(jié)后制成頭骨仿體層。在磁刺激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率為2.04x1 (T2-2.06xlO—2S/m，相對(duì)介電常 數(shù)為1.32xl03-1.6xl03。
實(shí)例3:基質(zhì)采用鈦酸鋇，加入6.5%的乙炔黑混合，燒結(jié)后制成頭骨仿體層。在磁 刺激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率為2.08xl(^-2.1xl(^S/m，相對(duì)介電常 數(shù)為2.5><103-2.7xl03。
頭皮仿體層1和頭骨仿體層2之間填充與頭皮仿體層1電參數(shù)相同的膠體層4，以排 除空氣間隙；頭骨仿體層2內(nèi)部填充由糖溶液和氯化鉀粉末混合制成的大腦皮層組織仿 體溶液3，仿體溶液3可由40%-45%的糖溶液加入0.01%-0.02%的氯化鉀粉末混合制成。 以下提供幾個(gè)頭骨仿體層的實(shí)例
實(shí)例1: 40%的糖溶液加入0.02%的氯化鉀粉末混合制成的大腦皮層組織仿體溶液， 在磁刺激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率1.1xlO"-1.2xlO"S/m，相對(duì)介電 常數(shù)為2.2xl()4-2.6x104。
實(shí)例2: 45%的糖溶液加入0.01%的氯化鉀粉末混合制成的大腦皮層組織仿體溶液， 在磁刺激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率9.9x10—M.0x10—1 S/m，相對(duì)介電 常數(shù)為1.2xl05-1.6xl05。
其中膠體層4材料的基質(zhì)是濃度為0.15%-0.3%的瓊脂，加熱后，加入0.1%-0.3%的 Sn02混勻，冷卻制成膠體，將上述膠體涂覆在頭皮層內(nèi)，然后放入預(yù)先制好的頭骨層， 壓實(shí)。以下提供幾個(gè)膠體層的實(shí)例
實(shí)例l:濃度為0.15%的瓊脂，加熱，并加入0.3。/。的SnO2混勻，入模冷卻制成膠體 層。在磁刺激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率為2.25xl(T3-3.0xlO—3 S/m， 相對(duì)介電常數(shù)為2.91xl04-2.94xl04。
實(shí)例2:濃度為0.2%的瓊脂，加熱，并加入0.2%的Sn02混勻，入模冷卻制成膠體 層。在磁刺激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率為2.2xl0A2.4xl(^S/m,相 對(duì)介電常數(shù)為2.97xl04-3.0xl04。
實(shí)例3:濃度為0.3%的瓊脂，加熱，并加入0.1%的Sn02混勻，入模冷卻制成膠體 層。在磁刺激頻段1-10 kHz范圍內(nèi)，經(jīng)測(cè)試、計(jì)算，電導(dǎo)率為6.8xlO氣8.5xI(^S/m，相 對(duì)介電常數(shù)為3.14xl04-3.18xl04。
此外，為了便于實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模型的固定，本實(shí)用新型設(shè)置了可調(diào)整的固定裝置，固 定裝置采用玻璃纖維材料制成，包括與頭皮仿體層固接的橫梁7，橫梁7通過(guò)連接塊6與立柱8相連，立柱8下面連接有底座9;連接塊6上設(shè)置有與橫梁7連接的水平孔6-l 和與立柱連接的垂直孔6-2，水平孔6-l上設(shè)置有用于壓緊橫梁7的螺栓10，垂直孔6-2 上設(shè)置有用于壓緊立柱8的螺栓11。通過(guò)松開螺栓11調(diào)整橫梁7及模型的高度，橫梁7 以及模型的位置確定后，擰緊螺栓ll，將模型固定。即可實(shí)現(xiàn)模型的高度可調(diào)，以達(dá)到 磁刺激線圈與人體頭部仿體模型的距離可調(diào)的巨的。
使用本實(shí)用新型涉及的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行腦神經(jīng)磁剌激實(shí)驗(yàn)，將仿體模型倒置放在固定 調(diào)整裝置上，將探頭固定于三維空間定位裝置上，將其從測(cè)量開口垂直向下深入，調(diào)整 后進(jìn)行測(cè)量。由于在探頭兩電極距離較小時(shí)，感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度與探頭電極間電壓近似成正 比，
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，r為探頭電極間電壓，五為電場(chǎng)強(qiáng)度，"為測(cè)量探頭電極間距離。
因此只需將測(cè)量探頭兩電極間電壓通過(guò)放大濾波等處理后，即可求得感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度， 再利用定位裝置移動(dòng)探頭至其他位置進(jìn)行測(cè)量，即可最終實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電場(chǎng)分布的測(cè)量。
盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本實(shí)用新型并不局 限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，并不是限制性的，本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實(shí)用新型的啟示下，在不脫離本實(shí)用新型宗旨和權(quán)利要求所保 護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種用于腦神經(jīng)磁刺激感應(yīng)電場(chǎng)檢測(cè)的仿體模型，包括設(shè)置有開口的球體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述球體結(jié)構(gòu)包括外面的頭皮仿體層、位于頭皮仿體層里面的頭骨仿體層，在頭骨仿體層內(nèi)填充有大腦皮層組織仿體溶液，所述頭皮仿體層和頭骨仿體層之間填充有與頭皮層電參數(shù)相同的膠水層，所述頭皮仿體層、頭骨仿體層、大腦皮層組織仿體溶液的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，在磁刺激頻段1-10kHz范圍內(nèi)，所述頭皮仿體層的電導(dǎo)率為6.5×10-4-3.0×10-3S/m，相對(duì)介電常數(shù)為2.9×104-3.2×104，所述頭骨仿體層的電導(dǎo)率為2.0×10-2-2.1×10-2S/m，相對(duì)介電常數(shù)為5.2×102-2.7×103，所述大腦皮層組織仿體溶液的電導(dǎo)率9.9×10-2-1.2×10-1S/m，相對(duì)介電常數(shù)為2.2×104-1.6×105。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于腦神經(jīng)磁刺激感應(yīng)電場(chǎng)檢測(cè)的仿體模型，其特征在于 該仿體模型還設(shè)置有可調(diào)整的固定裝置，所述固定裝置包括與頭皮仿體層固接的橫梁，所述橫梁通過(guò)連接塊與立柱相連，所述立柱下面連接有底座；所述連接塊上設(shè)置有與橫 梁連接的水平孔和與立柱連接的垂直孔，所述水平孔上設(shè)置有用于壓緊橫梁的螺栓，所 述垂直孔上設(shè)置有用于壓緊立柱的螺栓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于腦神經(jīng)磁刺激感應(yīng)電場(chǎng)檢測(cè)的仿體模型，其特征在于所述固定裝置采用玻璃纖維材料制成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于腦神經(jīng)磁刺激感應(yīng)電場(chǎng)檢測(cè)的仿體模型，包括設(shè)置有開口的球體結(jié)構(gòu)，球體結(jié)構(gòu)包括外面的頭皮仿體層、位于頭皮仿體層里面的頭骨仿體層，頭皮仿體層和頭骨仿體層之間填充有與頭皮層電參數(shù)相同的膠水層，在頭骨仿體層內(nèi)填充有大腦皮層組織仿體溶液，頭皮仿體層、頭骨仿體層、大腦皮層組織仿體溶液的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，在磁刺激頻段1-10kHz范圍內(nèi)，與真實(shí)人體組織接近。本實(shí)用新型由于構(gòu)造及參數(shù)按照真實(shí)人體頭部生理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定制，因此利用該模型進(jìn)行腦神經(jīng)磁刺激相關(guān)實(shí)驗(yàn)提高了模擬實(shí)驗(yàn)精度，能夠在邊界條件上更接近于真實(shí)的人體頭部結(jié)構(gòu)，從而在實(shí)驗(yàn)測(cè)量和研究中獲得更好的實(shí)驗(yàn)精度，對(duì)于醫(yī)學(xué)研究具有更高的研究?jī)r(jià)值。
文檔編號(hào)G09B23/28GK201353206SQ200920095640
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者劉志朋, 張順起, 松 李, 濤 殷, 蒲莉娜 申請(qǐng)人:中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所