用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的系统及制作方法

摘要

一种用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的系统及制作方法，包括有经颅磁刺激器和示波器、头模型仿体、用于采集头模型仿体信号的电场检测探针和用于对电场检测探针进行标定的标定装置，头模型仿体通过固定装置设置在标定装置内，经颅磁刺激器的输出线圈设置在标定装置的底部并与头模型仿体的底部相切，电场检测探针固定在标定装置上部的坐标尺上，电场检测探针的信号采集端连接头模型仿体，电场检测探针的输出端通过导线连接示波器。脑仿体的厚度为70～80mm，脑脊液仿体的厚度为3～6mm，颅骨仿体的厚度为4～6.5mm，头皮层仿体的厚度为5～8mm。本发明可以以较高的空间分辨率、较准确的测量经颅磁刺激诱导的颅内感应电场。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测经颅磁刺激在颅内感应电场的装置。特别是涉及一种包含脑 沟回结构的四层头部模型仿体的用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的系统及制作方法。

背景技术

经颅磁刺激是1985年英国谢菲尔大学的Barker等人发明的一种脑神经刺激技术， 其原理是利用时变磁场作用于大脑皮层，从而在颅内产生感应电场改变皮层神经细胞的动 作电位，影响脑内代谢和神经电活动的生物刺激技术，具有无创、安全、能穿透颅骨进行刺 激和靶向性的优点，目前广泛应用于工作记忆机制、情感调控机制等重要的脑科学研究中。

而在经颅磁刺激中，其在颅内产生的感应电场的电场强度是其在发挥作用的根本 原因。然而，该电场强度的测量一直是研究者重点关注的问题。目前，主要由以下几种经颅 磁刺激在颅内感应电场的测量方法，第一，采用仿真的方法，通过建立仿真头模型和经颅磁 刺激刺激线圈模型，设置激励参数，进行颅内感应电场空间分布的检测。该种方法可以构造 较为精细的头模型，但是其为一种基于计算机及相关计算软件的方法，对计算过程进行了 一定的简化，存在计算误差。第二，采用盐水槽的方法模拟半无界空间进行电场强度空间分 布的检测，在一定程度上能说明经颅磁刺激的感应电场空间分布。然而，采用盐水槽模拟人 头部准确度较低，测量误差大的限制。主要原因是盐水槽从形状到结构细节以及电导率的 特性与真实的人头部有很大的差别。另外，少数研究者利用有创的方法在脑皮层表面植入 检测电极来检测经颅磁刺激在颅内产生的感应电场的空间分布。该种方法是有创的，存在 一定的安全隐患，而颅内感应电场分布的空间分辨率受植入电极数量和个数的影响，导致 其检测电场的空间分辨率较低，因此，发展一种在结构和电导率与真实人头部相似的头模 型，将其作为研究工具，检测经颅磁刺激产生的感应电场分布，为经颅磁刺激应用于脑科学 的研究提供一定的指导帮助，具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高精确度、高空间分辨率的测量经颅磁 刺激诱导颅内电场分布的用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的系统及制作方法。

本发明所采用的技术方案是：一种用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的系统， 包括有经颅磁刺激器和示波器，还设置有头模型仿体、用于采集头模型仿体信号的电场检 测探针和用于对电场检测探针进行标定的标定装置，其中，所述的头模型仿体通过固定装 置设置在所述标定装置内，所述的经颅磁刺激器的输出线圈设置在所述标定装置的底部并 与头模型仿体的底部相切，所述电场检测探针固定在所述标定装置上部的坐标尺上，电场 检测探针的信号采集端连接所述头模型仿体，所述电场检测探针的输出端通过导线连接示 波器。

所述的标定装置包括有：内部用于设置头模型仿体的壳体，所述壳体的上端口为 开口结构，所述的用于对所述电场检测探针进行固定和标定的坐标尺，设置在所述壳体的 上端口上，在所述壳体的底部形成有磁刺激端口，用于设置对头模型仿体进行刺激的经颅 磁刺激器的输出线圈，所述磁刺激端口的周边形成有能够贯穿经颅磁刺激器与输出线圈之 间的导线的凹槽。

所述的坐标尺包括有：两端设置在壳体上端口相对称的两个侧边上并能够沿所述 的这两个侧边水平移动的X轴标尺，设置在所述壳体的与所述X轴标尺相垂直的侧边上的Y 轴标尺，以及分别与所述的X轴标尺和Y轴标尺相垂直的设置在所述X轴标尺上的Z轴标尺， 所述Z轴标尺能够在X轴标尺的支撑下上下移动，所述电场检测探针的上部通过设置在Z轴 标尺上的固定件固定在所述的Z轴标尺上，所述电场检测探针的下端插入到设置在所述标 定装置的壳体内的头模型仿体中。

所述的固定装置是设置在所述标定装置的壳体内用于支撑所述头模型仿体的支 撑板，所述支撑板上开有用于嵌入头模型仿体的嵌入孔，所述嵌入孔的直径小于所述头模 型仿体的直径，并能够使头模型仿体底部的顶点与经颅磁刺激器的输出线圈相切；或者所 述的固定装置是能够嵌入并定位在所述标定装置的壳体内的由软质材料构成的头模型仿 体固定体，沿所述头模型固定体的中心轴上下贯通的形成有用于安装所述头模型仿体的通 孔，所述头模型仿体安装在所述的通孔内时，所述头模型仿体能够定位在所述通孔内，并且 头模型仿体底部的顶点与经颅磁刺激器的输出线圈相切。

所述的头模型仿体为半圆球体结构，由里侧至外侧依次设置有脑仿体、脑脊液仿 体、颅骨仿体以及头皮层仿体，所述脑仿体的外周面形成有仿真沟回结构，所述脑脊液仿体 的内侧面与所述脑仿体外周面的仿真沟回结构相吻合，所述的电场检测探针的信号采集端 插入到脑仿体中，所述经颅磁刺激器的输出线圈对应所述头皮层仿体。

所述的头模型仿体中：脑仿体的厚度为70～80mm，脑脊液仿体的厚度为3～6mm，颅 骨仿体的厚度为4～6.5mm，头皮层仿体的厚度为5～8mm。

在经颅磁刺激器的输出频率为3k～4kHz下，所述的头模型仿体中脑仿体、脑脊液 仿体、颅骨仿体以及头皮层仿体的电导率分别对应为0.1～0.3S/m、2～4S/m、0.01～0.03S/ m、0.25～0.35S/m。

一种用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的系统中的头模型仿体的制作方法，包 括如下步骤：

1)分别制作头皮层仿体和脑模型，其中，所述头皮层仿体的厚度为5～8mm，所述脑 模型的厚度为70～80mm，包括分别在头皮层仿体和脑模型上相对应的位置处各设置有2个 以上的第一固定柱，其中，头皮层仿体上的第一固定柱是能够拆卸的设置；

2)在制作好的皮层仿体的内表面涂抹颅骨层仿体厚度为4～6.5mm；

3)将脑模型放入内表面涂抹颅骨层仿体的头皮层仿体内侧，并使脑模型上的第一 固定柱与头皮层仿体上的第一固定柱对应上，分别使用第一固定夹将头皮层仿体和脑模型 上所对应的两个第一固定柱夹紧，从而使所述的脑模型与所述的头皮层仿体之间形成有3 ～6mm的间隙；

4)在所述的脑模型与所述的头皮层仿体之间的间隙内注入脑脊液仿体材料，使用 超声振荡器进行去除气泡的处理，然后放入冰箱冷藏；

5)脑脊液仿体材料冷却凝固后形成有沟回结构的脑脊液仿体，拆下头皮层仿体和 脑模型上的第一固定夹，以及头皮层仿体上的第一固定柱，取出脑模型，在脑脊液仿体内注 入脑仿体的材料得到头模型仿体。

步骤1中所述的脑模型是采用标准脑3D打印制作而成，具体是利用Mimics对标准 脑MRI影像进行三维立体建模，生成STl文献，利用3D打印机进行打印，其中标准脑采用加拿 大蒙特利尔神经所的MRI脑图谱，在制作好的脑模型上端面的周边均匀的安装2个以上的第 一固定柱。

步骤1中所述的头皮层仿体是采用头皮层仿体模具制作，所述的头皮层仿体模具 包括有外模和内模，所述外模是半径为82～100mm的半圆形壳体，所述的内模是半径为77～ 95mm的半球体，在所述外模的上端面和内模上端面的周边对应的位置处各设置有2个以上 的第二固定柱，将内模放入外模的内侧，并使内模与外模之间形成有5～8mm的间隙，并使外 模上的第二固定柱与内模上的第二固定柱对应上，分别使用第二固定夹将外模和内模上所 对应的两个第二固定夹夹紧，在所述的外模与所述的内模之间的间隙内注入头皮层仿体材 料，头皮层仿体材料凝固后，拆下外模和内模上的第二固定夹，取出形成在外模和内模之间 的凝固物，即为头皮层仿体。

本发明的用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的系统及制作方法，是一种高精确 度、高空间分辨率的测量经颅磁刺激诱导颅内电场分布的装置，考虑了不同头部结构的电 导率特性，制作包含头皮、颅骨、脑脊液和脑四种仿体材料的头模型，最大程度上逼近真实 人的头部。使用本发明的装置可以以较高的空间分辨率、较准确的测量经颅磁刺激诱导的 颅内感应电场。本发明的装置中头模型的制作方法简单，能够获得不同参数经颅磁刺激激 励下颅内感应电场强度的空间分布，可为经颅磁刺激用于相关脑科学的研究提供有价值的 指导，且在一定程度上能提高经颅磁刺激在应用时的安全性。

附图说明

图1是本发明整体构成框图；

图2是本发明中标定装置的结构示意图；

图3是本发明中标定装置的仰视图；

图4是本发明中设置在标定装置内的支撑板的结构示意图；

图5是本发明中固定装置的结构示意图；

图6是本发明中电场检测探针的结构示意图；

图7是本发明中头模型仿体的结构俯视示意图；

图8是图7的剖视图；

图9是本发明中制作有沟回结构的脑脊液仿体方法的示意图；

图10是图9的剖视图；

图11是本发明中用于制作头皮层仿体模具的俯视示意图；

图12是图11的剖视图。

图中

1：经颅磁刺激器2：头模型仿体

21：脑仿体22：脑脊液仿体

23：颅骨仿体24：头皮层仿体

25：仿真沟回结构26：脑模型

3：电场检测探针4：示波器

5：固定装置51：头模型固定体

52：通孔6：标定装置

61：壳体611：X轴标尺

612：Y轴标尺613：Z轴标尺

614：固定件62：坐标尺

63：磁刺激端口64：凹槽

65：支撑板66：嵌入孔

7：输出线圈8：外模

9：内模10：第一固定柱

11：第一固定夹12：第二固定柱

13：第二固定夹

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的 系统及制作方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的系统，包括有经颅磁 刺激器1和示波器4，其特征在于，还设置有头模型仿体2、用于采集头模型仿体2信号的电场 检测探针3和用于对电场检测探针3进行标定的标定装置6，其中，所述的头模型仿体2通过 固定装置5设置在所述标定装置6内，所述的经颅磁刺激器1的输出线圈7设置在所述标定装 置6的底部并与头模型仿体2的底部相切，所述电场检测探针3固定在所述标定装置6上部的 坐标尺62上，电场检测探针3的信号采集端连接所述头模型仿体2，所述电场检测探针3的输 出端通过导线连接示波器4。

如图2、图3所示，所述的标定装置6包括有：内部用于设置头模型仿体2的壳体61， 所述壳体61的上端口为开口结构，所述的用于对所述电场检测探针3进行固定和标定的坐 标尺62，设置在所述壳体61的上端口上，在所述壳体61的底部形成有磁刺激端口63，用于设 置对头模型仿体2进行刺激的经颅磁刺激器1的输出线圈7，所述磁刺激端口63的周边形成 有能够贯穿经颅磁刺激器1与输出线圈7之间的导线的凹槽64。

如图2所示，所述的坐标尺62包括有：两端设置在壳体61上端口相对称的两个侧边 上并能够沿所述的这两个侧边水平移动的X轴标尺611，设置在所述壳体61的与所述X轴标 尺611相垂直的侧边上的Y轴标尺612，以及分别与所述的X轴标尺611和Y轴标尺612相垂直 的设置在所述X轴标尺611上的Z轴标尺613，所述Z轴标尺613能够在X轴标尺611的支撑下上 下移动，所述电场检测探针3的上部通过设置在Z轴标尺613上的固定件614固定在所述的Z 轴标尺613上，所述电场检测探针3的下端插入到设置在所述标定装置6的壳体61内的头模 型仿体2中。

如图4所示，所述的固定装置5是设置在所述标定装置6的壳体内用于支撑所述头 模型仿体2的支撑板65，所述支撑板65上开有用于嵌入头模型仿体2的嵌入孔66，所述嵌入 孔66的直径小于所述头模型仿体2的直径，并能够使头模型仿体2底部的顶点与经颅磁刺激 器1的输出线圈7相切；

或者如图5所示，所述的固定装置5是能够嵌入并定位在所述标定装置6的壳体61 内的由软质材料构成的头模型仿体固定体51，沿所述头模型固定体51的中心轴上下贯通的 形成有用于安装所述头模型仿体2的通孔52，所述头模型仿体2安装在所述的通孔52内时， 所述头模型仿体2能够定位在所述通孔52内，并且头模型仿体2底部的顶点与经颅磁刺激器 1的输出线圈7相切。

如图7、图8所示，所述的头模型仿体2为半圆球体结构，由里侧至外侧依次设置有 脑仿体21、脑脊液仿体22、颅骨仿体23以及头皮层仿体24，所述脑仿体21的外周面形成有仿 真沟回结构25，所述脑脊液仿体22的内侧面与所述脑仿体21外周面的仿真沟回结构25相吻 合，所述的电场检测探针3的信号采集端插入到脑仿体21中，所述经颅磁刺激器1的输出线 圈7对应所述头皮层仿体24。

所述的头模型仿体2中：脑仿体21的厚度为70～80mm，脑脊液仿体22的厚度为3～ 6mm，颅骨仿体23的厚度为4～6.5mm，头皮层仿体24的厚度为5～8mm。

在经颅磁刺激器1的输出频率为3k～4kHz下，所述的头模型仿体2中脑仿体21、脑 脊液仿体22、颅骨仿体23以及头皮层仿体24的电导率分别对应为0.1～0.3S/m、2～4S/m、 0.01～0.03S/m、0.25～0.35S/m。

如图9、图10所示，本发明的用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的系统中的头模 型仿体的制作方法，包括如下步骤：

1)分别制作头皮层仿体24和脑模型26，其中，所述头皮层仿体24的厚度为5～8mm， 所述脑模型26的厚度为70～80mm，包括分别在头皮层仿体24和模型(221)上相对应的位置 处各设置有2个以上的第一固定柱10，其中，头皮层仿体(24)上的第一固定柱(10)是能够拆 卸的设置；

所述的脑模型26是采用标准脑3D打印制作而成，具体是利用Mimics对标准脑MRI 影像进行三维立体建模，生成STl文献，利用3D打印机进行打印，其中标准脑采用加拿大蒙 特利尔神经所(MNI)的MRI脑图谱，在制作好的脑模型26上端面的周边均匀的安装2个以上 的第一固定柱10。

如图11、图12所示，步骤1)中所述的头皮层仿体24是采用头皮层仿体模具制作，所 述的头皮层仿体模具包括有外模8和内模9，所述外模8是是半径为82～100mm的半圆形壳 体，所述的内模9是半径为77～95mm的半球体，在所述外模8的上端面和内模9上端面的周边 对应的位置处各设置有2个以上的第二固定柱12，将内模9放入外模8的内侧，并使内模9与 外模8之间形成有5～8mm的间隙，并使外模8上的第二固定柱12与内模9上的第二固定柱12 对应上，分别使用第二固定夹13将外模8和内模9上所对应的两个第二固定夹13夹紧，在所 述的外模8与所述的内模9之间的间隙内注入头皮层仿体材料，头皮层仿体材料凝固后，拆 下外模8和内模9上的第二固定夹13，取出形成在外模8和内模9之间的凝固物，即为头皮层 仿体24。

2)在制作好的皮层仿体24的内表面涂抹颅骨层仿体23厚度为4～6.5mm；

3)将脑模型26放入内表面涂抹颅骨层仿体23的头皮层仿体24内侧，并使脑模型26 上的第一固定柱10与头皮层仿体24上的第一固定柱10对应上，分别使用第一固定夹11将头 皮层仿体24和脑模型26上所对应的两个第一固定柱10夹紧，从而使所述的脑模型26与所述 的头皮层仿体24之间形成有3～6mm的间隙；

4)在所述的脑模型26与所述的头皮层仿体24之间的间隙内注入脑脊液仿体材料， 使用超声振荡器进行去除气泡的处理，然后放入冰箱冷藏；

5)脑脊液仿体材料冷却凝固后形成有沟回结构的脑脊液仿体22，拆下头皮层仿体 24和脑模型26上的第一固定夹11，以及头皮层仿体24上的第一固定柱10，取出脑模型26，在 脑脊液仿体22内注入脑仿体21的材料得到头模型仿体2。

在本发明的实施例中：

所述的头皮层仿体24，是由环氧树脂和导电石墨制作而成，将无水乙醇加入到双 酚A型环氧树脂中稀释，使用电动搅拌机进行搅拌。将导电石墨加入到稀释的环氧树脂中， 使用电动搅拌机进行搅拌，混合均匀，然后加入到头皮层仿体模具中，经过超声波振荡排除 气泡，放入恒温箱进行固化，温度设置为200°，固化8个小时，然后脱模，然后形成头皮层仿 体24。环氧树脂、固化剂、无水乙醇、石墨的质量比为40:10:6:3。将剩余的导电环氧树脂切 成3块长、宽、高分别为10mm、10mm、5mm的长方体，使用安捷伦阻抗分析仪4294A及与其匹配 的16451B夹具测量3块场方体的电导率，在Magstim经颅磁刺激器的输出频率3k～4kHz，测 量三次取平均，获得头皮层仿体的电导率为0.25～0.35S/m。

所述的颅骨层仿体23，是由石膏和纯净水混合制作，利用电子天平称取水粉质量 比为0.35：1的纯净水和石膏粉，使用搅拌棒迅速将其混合均匀，利用平勺将其涂抹到西瓜 皮的内表面，涂抹厚度为7.5mm，石膏常温固化，使用细砂纸进行打磨，形成颅骨层仿体。采 用与颅骨层仿体相同的石膏和纯净水的配比，使用硅橡胶的正方体磨具，制作3块3块长、 宽、高分别为10mm、10mm、5mm的正方体，固化脱模后，使用安捷伦阻抗分析仪4294A及与其匹 配的16451B夹具测量3块正方体的电导率，在英国Magstim经颅磁刺激器的输出频率 3571Hz，测量三次取平均，获得头皮层仿体的电导率为0.01～0.03S/m。

所述的脑脊液仿体22，是采用灌注的方式由明胶和纯净水制作而成，具体步骤为： 将纯净水使用恒温磁力搅拌器加热到60℃，然后缓慢加入明胶，利用磁力搅拌器充分搅拌 均匀，并加热到85℃，冷却并凝固，明胶和纯净水的质量配比为0.02:1。使用硅橡胶的正方 体磨具，使用脑脊液仿体材料制作3块3块长、宽、高分别为10mm、10mm、5mm的正方体，冷却固 化脱模后，使用安捷伦阻抗分析仪4294A及与其匹配的16451B夹具测量3块正方体的电导 率，在经颅磁刺激器的输出频率3k-4kHz，测量三次取平均，获得脑脊液仿体的电导率为2～ 4S/m。

所述的脑仿体21，是由氯化钠和纯净水混合，进行充分搅拌制作而成，氯化钠和纯 净水的质量配比为0.0085～0.0092:1。使用液体电导率测试仪对其电导率进行测量，获得 脑仿体的电导率为0.1～0.3S/m。

所述的用于固定头模型仿2的体固定装置5是采用由高度为150mm、长度为300mm、 宽度为300mm的长方体海绵材料制成的头模型仿体固定体51，将其内部用剪刀制作成高 150mm、直径为190mm的圆柱形通孔52，其能将头模型仿体进行固定，防止其移动。

所述的头模型位置标定装置6是采用有机玻璃材料制作，形状为长、宽、高分别为 300mm、300mm、300mm的正方体形状，该正方体无上表面，下表面有尺寸分别为200mm*100mm 的长方形开口，用于放置经颅磁刺激刺激所用的八字线圈，使线圈与头模型仿体底部的顶 点相切，在长方形开口一侧开有尺寸为60mm*100mm的长方形侧开口，用于放置经颅磁刺激 器的八字线圈的导线。标定装置6含有的X、Y和Z轴3个方向的标尺的最小刻度为1mm，三个方 向标尺可以自由移动，通过有机玻璃材料的螺丝进行固定。

所述的经颅磁刺激器1是采用英国Magstim公司生产的Magstimrapid2经颅磁刺 激器，刺激线圈使用与该磁刺激器相匹配的八字线圈。所述的电场检测探针为外径为3mm的 同轴电缆，分别将其内外部的导线作为探针检测的两极，两极之间的距离为3mm。

示波器4采用泰克示波器DPO2024，其连接到电场检测探针的两端，同步记录下经 颅磁刺激刺激诱导的电场强度反应在示波器上的电压值U。由于电场检测探针的两极距离 为d＝3mm，因此，可以假设在小范围内经颅磁刺激诱导的电场为均匀的，因此，电场强度E的 计算可以由示波器上记录的电压值U进行换算获得，计算公式为：

E＝U/d

本发明的用于检测经颅磁刺激在颅内感应电场的系统及制作方法，建立了含有沟 回结构的四层头模型，针对目前经颅磁刺激在颅内感应电场测量的困境，制作逼近于真实 头的电导率和解剖结构的仿体头模型对经颅磁刺激颅内感应电场进行测量，以此可以推测 不同参数经颅磁刺激，如不同刺激强度等，在颅内产生的感应电场，估计不同范式输出的经 颅磁刺激对颅内不同脑结构产生的作用，从而指导相关试验的参数设置，为经颅磁刺激在 脑科学中的应用提供帮助，且在一定程度上能提高经颅磁刺激在应用时的安全性。