脑深部电刺激中的平面线圈信号耦合技术

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帕金森病(Parkinson’s Disease，PD)是一种常见的中老年神经系统变性疾病，病变发生在中脑部位，该处有一群黑质神经元，可以合成一种叫做“多巴胺”的神经递质，投射到大脑中的某些区域，对运动功能进行调节。如果这些黑质神经元变性死亡80%以上，大脑内的神经递质多巴胺不能再调节神经系统正常功能，就会出现帕金森病的症状。在我国，55岁以上老年人中约有170多万帕金森病患者，患病率与欧美国家接近。

现阶段除了药物治疗以外，外科手术治疗也可以起到很好的疗效，常用方法有：脑细胞移植术、毁损术以及脑深度电刺激技术(Deep Brain Stimulation, DBS)即脑起搏器。脑细胞移植术和基因治疗虽然已经在动物实验上取得了很大成功，但由于临床缺乏理想的移植组织，目前仍停留在实验室阶段，不宜普遍采用。毁损术是利用电烧灼法破坏脑内功能异常兴奋核团，虽然效果已经被公认，但作为一种具有破坏性的手术，并发症较高、易复发，而且对患者的年龄、适应症等要求也较高，存在明显不足之处。脑深度电刺激技术是利用脑立体定向手术在脑内某一特殊的位置植入电极，通过高频电刺激抑止异常电活动的神经元，从而起到治疗的效果。该技术最大的特点是疗效确切、安全、可通过术后调整控制到最佳状态，副作用小，不破坏脑组织，不影响今后其他新方法的治疗。因此，目前DBS技术已经基本取代了毁损术成为帕金森病外科治疗的首选。

临床应用的脑起搏器主要包括四部分，植入患者体内的部分有：神经刺激器、脑起搏器导线、延长线，体外部分为控制磁铁。神经刺激器包括一个电池和一组微电路系统，植入锁骨附近皮下，可经延长线将产生的电信号传导至脑内深层的目标部位。每一条脑起搏器导线都包括4条薄绝缘线圈及尖端的4个1.5mm电极，导线利用一个电极或多电极组合来传递刺激。延长线植于皮下，通过头、颈、肩的绝缘线，用以连接导线与植入的神经刺激器。控制磁铁为患者操控部分，患者可将控制磁铁置于神经刺激器上方以控制刺激器的开关。这种脑起搏器的缺点是脉冲发生器的电池一般只能维持5～8年，电池用尽后需要更换锁骨皮下的脉冲发生器，而且，体内多处植入异物容易引起皮肤溃烂。目前只有美国的美敦力公司(Medtronic Inc.)生产的脑起搏器(Activa Therapy)获得了美国食品药品管理局(FDA)的认可通过，因此美敦力公司占据着临床所需脑起搏器的垄断地位，对于中国的患者来说价格昂贵。鉴于此，对脑深度电刺激系统的自主研发和进一步改善就显得尤为重要。

本文讨论一种新型脑起搏器——外置式脑起搏器，这种脑起搏器在传统脑起搏器的基础上进行了改进，将信号发生装置、控制装置以及电源全部移至体外，颅内只留下刺激电极。这种设计的优点是避免了锁骨下方的创口，同时避免了大量的导线在体内通过，减少了感染的危险，最大程度减少了病人的痛苦。体外脉冲发生器的随意更换使患者不再受电池电量的制约，使用起来更加方便、轻松。

系统设计

外置式脑起搏器利用线圈可以耦合交流信号的特性来传递刺激信号。系统分为两部分，分别位于人脑头顶头皮的两侧，体外部分包括信号发生器、控制器、电源和显示装置，体内部分主要为刺激器，系统框图见图1。两个相对独立的部分由一对线圈连接起来，将刺激信号由体外耦合至体内的刺激器。外置式脑起搏器在给患者带来使用上方便的同时，也给设计带来了一定的挑战。由于信号是经过头皮传输过去的，所以要保证颅内接受到的脉冲信号的波形和功率能够达到治疗的要求。

脑内线圈(次级线圈)与脑外线圈(初级线圈)

次级线圈为需要和刺激电极相连的线圈，由于次级线圈要植入人脑内，所以需采用特殊形状线圈以节省空间，希望线圈越小越薄越理想。本文设计的为一平面圆盘形线圈，理论上使线圈绕制成单层，犹如蚊香的形状，但考虑到实际绕制时的技术原因，将线圈分为了10层平面圆盘，每层100匝。选用线径为0.06mm的漆包线，所以整个线圈厚度也只有0.6mm，外径d1=30mm，内径d2=18mm。

由于初级线圈可以放在大脑头皮外侧，所以对初级线圈大小和形状的要求不如上述次级线圈严格，只要做到尽量小和尽量薄就可以了。设计的初级线圈为800匝，由线径为0.2mm的漆包线绕制而成，也尽量绕成平面原盘形，可以允许一定的厚度。经测量，线圈厚度为5mm，外径d1=20mm，内径d2=12mm。

电感量和互感

电感量

对于平面圆盘形线圈，其电感量的计算可参考以下公式：