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經(jīng)顱磁刺激現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于心理認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)精神類疾病等領(lǐng)域的臨床實(shí)驗(yàn)和研究中。經(jīng)顱磁刺激設(shè)備中，刺激線圈的設(shè)計(jì)在顱內(nèi)電場(chǎng)的形成過程中起重要作用。磁刺激線圈在大腦中產(chǎn)生的誘發(fā)電場(chǎng)需達(dá)到一定的閾值才能達(dá)到刺激目的。由于線圈表面磁場(chǎng)隨著離線圈距離的變大迅速衰減，為了保證靶區(qū)電場(chǎng)刺激強(qiáng)度，線圈需要通以大電流，一般在數(shù)千個(gè)安培以上。在線圈中引入鐵磁材料可輔助提高線圈誘發(fā)電場(chǎng)值，降低電流需求，但在實(shí)際使用過程中，鐵芯帶來的線圈重量不可忽視，并且位置對(duì)電磁場(chǎng)分布的影響需要進(jìn)一步探討。然而，目前鐵芯大小、位置對(duì)于刺激線圈性能的影響尚未有文獻(xiàn)研究。

為此，中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所研究員楊曉冬桌面磁共振波譜組提出一種基于鐵芯改進(jìn)的經(jīng)顱磁刺激線圈結(jié)構(gòu)。針對(duì)最常用的8字形線圈及slinky線圈引入鐵芯，分析鐵芯位置、大小對(duì)結(jié)構(gòu)線圈的性能改善，通過改變線圈中鐵芯的填充因子及鐵芯在線圈中的位置，得出鐵芯線圈誘發(fā)電場(chǎng)最大值、刺激深度、聚焦性及鐵芯功耗的比較結(jié)果，為不同情況下在線圈中添加鐵芯的方法給出參考。根據(jù)合成的品質(zhì)因數(shù)，填充系數(shù)為0.4，鐵芯靠近線圈的內(nèi)側(cè)時(shí)，兩種鐵芯線圈的總體性能最佳。加工設(shè)計(jì)的三個(gè)線圈模型經(jīng)過測(cè)試證明，電感、磁場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。

研究提出的基于8字型線圈和slinky基本結(jié)構(gòu)的鐵芯線圈系統(tǒng)優(yōu)化方法可用于改善鐵芯經(jīng)顱磁刺激線圈性能，降低功耗要求，并指導(dǎo)其他類型鐵芯經(jīng)顱磁刺激線圈的設(shè)計(jì)。下一步，團(tuán)隊(duì)將基于此優(yōu)化的鐵芯線圈結(jié)構(gòu)，進(jìn)行介質(zhì)中和在體的電場(chǎng)測(cè)試，促進(jìn)研究成果在人體經(jīng)顱磁刺激物理調(diào)控中的應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以O(shè)ptimal Design of Transcranial Magnetic Stimulation Coil with Iron Core為題，發(fā)表在Journal of Neural Engineering上。

圖1.slinky鐵芯線圈，a）無鐵芯；b）填充因數(shù)為0.4的鐵芯線圈；c）填充因數(shù)為1的鐵芯線圈

圖2.不同填充因子的鐵芯線圈實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)對(duì)比