脑深部电刺激中的平面线圈信号耦合技术

互感

两个线圈之间的互感对于信号的传递起着十分重要的作用，互感越大，信号的耦合效率就越高。如图2所示，两线圈之间的互感计算可参考公式：



其中：μ0为真空中的磁导率。



R1、r1分别为初次级线圈的内径。R2、r2分别为初次级线圈的外径。h为两线圈平面之间的距离。

两个平面线圈之间的互感主要与两者之间的距离和各自的尺寸相关，h越小，M就越大。根据此公式计算两线圈之间的互感，得到：

M=M1=M2=3.9 x 10-8H

磁芯和磁罐

由于铁磁材料的磁导率很大，所以铁芯具有使磁场集中到其内部的作用。为了使信号的传输效率最大，可以在线圈周围加上磁罐或内部放置磁芯，以增加初次级线圈之间的互感，提高耦合效率。如果使两个线圈同时经过一根铁芯，可以使次级线圈得到信号的幅度为最大，但由于两个线圈分别位于头颅两侧，因此需分别使用一对彼此分离的铁磁材料互相配合来增加互感。

信号耦合

本文中所讨论的平面圆盘形线圈耦合技术，是首次将线圈能够耦合交流信号这一特点用在脑深度电刺激之中，耦合到的信号否能满足治疗帕金森病的刺激强度是研究的关键。在脑深度电刺激的治疗中，刺激的强度和频率依刺激的部位不同而不同，但大致的范围如下。

刺激频率：100～250Hz

脉冲宽度：60～210μs(平均脉宽为150μs)

电压幅值：1"3.75V(平均2.025V，最高可达10.5V)

主要刺激部位：双侧丘脑底核(STN),其他部位还包括内侧苍白球腹后部(Gpi)和丘脑腹外侧核的腹中间核(Vim)[10]

因此只要次级线圈接收到的信号在额定的负荷下达到上述强度，即可满足要求。

电路设计

电路设计要考虑到刺激系统的鲁棒性，即两级线圈在一定范围内发生相对位置变化时仍能保证输出刺激参数有效的特性。因此，在本电路中选择各参数如下：初级线圈为800匝，信号产生电路为一三极管开关电路，使初级线圈产生一个频率为130.7Hz、幅度为5V脉冲信号，脉冲宽度需根据次级线圈的脉冲宽度调节，实验选定在1.65ms。次级线圈为1000匝，负载为丘脑底核(STN)的平均阻抗1kΩ，次级线圈接收到的信号频率为130.9Hz，脉冲宽度120ms，峰峰值根据有无铁芯、线圈之间距离以及偏心距的不同而不同。

铁芯的影响

可以肯定，铁芯可以减少线圈之间的漏感，使次级线圈信号的峰峰值更大，这一点也可以从实验中看出。保持初级线圈产生的信号不变，并且使两线圈圆心对准，在两个线圈之间距离保持5.5mm不变的情况下，如果不放入铁芯，次级线圈得到的信号峰峰值为3.40V。若在初级线圈内放入磁芯，次级线圈外套有磁罐(磁罐与磁芯相比，在颅内更具有体积优势)，次级线圈得到的信号峰峰值为10.6V，是无磁芯时的三倍。

两线圈之间的距离与放置在颅内的位置有关，当放置在大脑顶部时，由于成人颅顶骨的厚度约为5mm左右，最厚的部位可达10mm，所以使两线圈之间的距离限制在10mm以内。

线圈之间距离的影响

设两线圈平面之间的距离为d，在初级线圈内放有铁芯，次级线圈外套有磁罐的情况下，保持两线圈的中心轴一致，测量在不同距离d下得到的次级线圈信号峰峰值A，见表1和图3。



　

从曲线图中不难看出，两线圈之间的距离与次级线圈峰峰值近似成负指数关系，在距离为5mm左右时，微弱的距离变化会引起一个较大的次级信号强度的变化，但是在5.5mm～12mm范围内的信号值均可以满足刺激需要，因此具有一定的鲁棒性。但是，在后续的设计中仍要特别注意帕金森病人由于自身运动导致线圈之间距离变化而引起的次级信号的变化，尽量初级线圈固定在患者头皮以得到最大的刺激强度。

线圈偏心距的影响

在外置式脑起搏器中，由于有一个线圈在体外，因此，两个线圈除了距离的变化以外，还有可能产生平面的滑移，那么线圈偏心距对次级线圈信号强度的影响也是必须考虑的因素之一。实验中初级线圈的脉冲频率f=136Hz，脉宽Tw=1.65ms，幅值为5V。当两线圈保持间距d=7mm时，测量不同偏心距r下次级线圈得到的信号峰峰值A，见表2和图4。



从曲线中可以看出，两线圈偏心距r与次级线圈峰峰值之间近似成线性关系，随着偏心距r的增大而减小。可以看出系统在一定的偏心范围内均可达到刺激强度的需要，也具有一定的鲁棒性。但在实际使用当中，仍应当增加一个对准的装置，以尽量保证两个线圈的中心轴能在一条直线上，得到最大的刺激信号和最高的效率。

结语

本文首次将线圈耦合交流信号这一原理引入了帕金森病的治疗当中，提出了外置式脑起搏器的设计方案。对平面线圈的各个参数进行了计算，分析了次级信号的强度与各种参数之间的关系，为后续的设计提出了指导性的方案。实验证明设计的刺激信号可完全满足脑深度电刺激的要求，并且系统具有一定的鲁棒性。