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TI-TMS 概述、優(yōu)勢與適應(yīng)癥

TI-TMS定義：

TI-TMS（時間干涉經(jīng)顱磁刺激） 是一種創(chuàng)新的非侵入性神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，其核心原理是將時間干涉（TI）概念與經(jīng)顱磁刺激（TMS）相結(jié)合（如圖1）。該系統(tǒng)通過兩對獨立的線圈分別施加頻率略有差異（如5.00 kHz vs. 5.02 kHz）的高頻正弦電流，這兩個高頻磁場在深部腦區(qū)交匯疊加，利用神經(jīng)元的低通濾波特性，在其交匯處產(chǎn)生一個低頻包絡(luò)調(diào)制電場，從而選擇性地激活深層目標(biāo)神經(jīng)元，而淺層神經(jīng)元因?qū)Ω哳l場不敏感而不會被激活。

圖1 TI-TMS原理示意圖

TI-TMS優(yōu)勢：

相較于傳統(tǒng)TMS，TI-TMS的優(yōu)勢在于它巧妙地突破了刺激深度與聚焦性之間的傳統(tǒng)權(quán)衡（trade-off）。傳統(tǒng)TMS使用單一線圈，為了達(dá)到更深刺激深度必須使用更大線圈，但這會導(dǎo)致聚焦性變差（刺激區(qū)域過大），可能激活非目標(biāo)區(qū)域并引發(fā)副作用（如癲癇）。TI-TMS（雙圓線圈）在相同線圈角度下，其半值深度（d1/2）顯著大于傳統(tǒng)TMS，而半值面積（S1/2）則更小，證明了其“更深、更聚焦” 的核心優(yōu)勢。其適應(yīng)癥主要針對需要深部腦區(qū)刺激的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如帕金森病（刺激丘腦底核）、抑郁癥（刺激腹側(cè)紋狀體/前額葉深部）、癲癇（抑制海馬體異常放電） 等，為這些疾病的非侵入性治療提供了新途徑。

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TI-TMS 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵

TI-TMS系統(tǒng)（圖2）的核心是一個基于雙全橋逆變器的精密功率驅(qū)動架構(gòu)，其設(shè)計目標(biāo)是生成兩路獨立可控的高頻正弦電流。如圖3所示，系統(tǒng)首先將可調(diào)直流電源提供的直流電輸入兩個由IGBT（Q1-Q8）構(gòu)成的H橋逆變器；每個H橋由DSP產(chǎn)生的特定頻率PWM信號驅(qū)動，將直流電逆變?yōu)楦哳l方波電壓（U?, U?）；隨后，這些方波電壓被饋入由諧振電容（C_s1, C_s2）和刺激線圈電感（L_s1, L_s2）構(gòu)成的LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，利用諧振電路的選頻特性濾除高次諧波，最終在線圈中產(chǎn)生純凈、穩(wěn)定的高頻正弦電流；該電流流經(jīng)線圈電阻（R_s1, R_s2）并產(chǎn)生所需的高頻時變磁場，從而通過時間干涉原理實現(xiàn)深部腦刺激。整個設(shè)計確保了雙路電流的頻率、幅度和波形質(zhì)量的可控性與穩(wěn)定性，是TI-TMS技術(shù)得以實現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)。

圖2 TI-TMS系統(tǒng)框圖

電源系統(tǒng)（圖3）：

該系統(tǒng)采用兩級變換架構(gòu)。第一級為可調(diào)直流電源（DCPower），將市電轉(zhuǎn)換為幅值可調(diào)的直流電壓。第二級為兩個全橋逆變電路（H-bridge Inverter），每個橋路由四個IGBT（FGH60N60SMD）組成，由DSP（TMS320F28335）產(chǎn)生的兩路不同頻率的PWM信號（如5kHz與5.02kHz）驅(qū)動，將直流電逆變?yōu)閮蓚€高頻方波電壓。第三級，方波電壓輸入由諧振電容（Cs）和刺激線圈（Ls） 構(gòu)成的LC串聯(lián)諧振電路，利用其選頻特性濾除高次諧波，最終在線圈中產(chǎn)生純凈的高頻正弦電流。電容值（12μF）根據(jù)諧振公式和測得的線圈電感（85μH）精確計算得出。

圖3 核心系統(tǒng)電路設(shè)計

散熱系統(tǒng)：

由于線圈中通入的是連續(xù)高頻大電流（60A），而非傳統(tǒng)TMS的短暫脈沖，熱管理至關(guān)重要。系統(tǒng)采用多層次散熱方案：首先，在每個IGBT橋臂上并聯(lián)兩個IGBT以分擔(dān)電流，減少單個元件的發(fā)熱（圖3）。其次，在逆變器模塊上安裝了由溫控開關(guān)（KSD301）控制的冷卻風(fēng)扇（圖4），當(dāng)溫度超過閾值時自動啟動強制風(fēng)冷。計算與實驗表明，在60A工作電流下，線圈溫升速率僅為0.016K/s，運行5分鐘后溫度從28°C升至33°C（圖5），無需額外線圈冷卻系統(tǒng)即可穩(wěn)定工作。

圖4 全橋逆變模塊實物

圖4展示了逆變電路的工程實現(xiàn)，包括IGBT、驅(qū)動接口、散熱風(fēng)扇、溫控開關(guān)等關(guān)鍵部件，體現(xiàn)了對散熱和功率處理的實際考量。

圖5線圈溫度變化紅外熱像圖

圖5顯示在60A電流下連續(xù)工作5分鐘，線圈溫度僅從28°C上升至33°C，溫升可控，證明在當(dāng)前參數(shù)下散熱系統(tǒng)設(shè)計有效。

線圈設(shè)計：

本研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于線圈結(jié)構(gòu)。摒棄傳統(tǒng)的圓形或8字形線圈，設(shè)計了雙曲橢圓線圈（Double curved-elliptical coils），如圖6所示。這種形狀能更好地貼合人體頭皮的解剖結(jié)構(gòu)，從而更有效地將磁場匯聚至目標(biāo)深部區(qū)域。通過仿真優(yōu)化兩線圈間的夾角（圖7角度β），最終實現(xiàn)了優(yōu)異深度與聚焦性性能。

圖6 雙曲橢圓線圈實物

圖6展示了將仿真模型轉(zhuǎn)化為實物的線圈結(jié)構(gòu)，是其創(chuàng)新點的實體證明。

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臨床研究：研究方法與結(jié)果

本研究雖未進(jìn)行人體臨床試驗，但通過先進(jìn)的計算機(jī)仿真和物理模型實驗為TI-TMS的有效性與安全性提供了堅實證據(jù)。

研究方法：

仿真研究：

使用COMSOL軟件建立五層球頭模型（頭皮、顱骨、腦脊液、灰質(zhì)、白質(zhì)）和基于MRI的真實頭模型（圖7,8a）。仿真對比了傳統(tǒng)TMS與TI-TMS在不同線圈結(jié)構(gòu)、不同角度下的性能指標(biāo)（電場強度Emax, 刺激深度d1/2, 刺激面積S1/2）。

圖7 五層球頭模型與線圈位置

圖7展示了仿真所采用的簡化頭模型（由外至內(nèi)：頭皮、顱骨、CSF、灰質(zhì)、白質(zhì)）和線圈的相對空間位置。圖中標(biāo)注了關(guān)鍵參數(shù)，如線圈夾角β、橢圓線圈的內(nèi)外徑（A,a,B,b），是仿真設(shè)置的基礎(chǔ)。

圖8 真實頭模型中的仿真

圖8證明了TI-TMS技術(shù)在非對稱、真實解剖結(jié)構(gòu)中的有效性。(a) 線圈與真實頭模的位置關(guān)系。(b) 整個頭部的電場分布。(c) 僅灰質(zhì)層的電場分布，顯示刺激焦點依然清晰，未因結(jié)構(gòu)不對稱而失真。

物理驗證：

搭建完整的TI-TMS硬件系統(tǒng)（圖9）。使用示波器測量線圈電流的幅度與頻率（圖10）。制作生理鹽水球模型模擬人體頭部導(dǎo)電介質(zhì)，使用高斯計測量球內(nèi)特定路徑（Line 1,2,3）上的磁感應(yīng)強度分布（Fig. 15d），并與仿真結(jié)果（Fig. 15a-c）進(jìn)行對比。

圖9 完整TI-TMS系統(tǒng)

圖9展示了系統(tǒng)集成后的最終形態(tài)，包括主機(jī)箱（內(nèi)含電源、逆變、控制模塊）和連接的雙曲橢圓線圈。

圖10 系統(tǒng)線圈示波器電流示意圖

示波器截圖（圖10）顯示兩個線圈的輸出電流為純凈的60A正弦波，頻率分別為5.00kHz和5.02kHz。

圖11 鹽水球模型與實驗

圖11(a-c)為仿真模型及X-Z, Y-Z平面的磁場分布云圖。(d)為物理實驗平臺，包括鹽水球、線圈和高斯計。該圖搭建了仿真與實驗對比的橋梁。

研究結(jié)果：

仿真結(jié)果：

證實TI-TMS在深度和聚焦性上全面優(yōu)于傳統(tǒng)TMS（圖13、圖14）。雙曲橢圓線圈性能最佳（Table 1）。在不對稱的真實頭模型中，TI-TMS依然能保持良好的聚焦效果（圖7），證明其魯棒性。

圖12 不同角度下TI-TMS vs TMS仿真

圖12 (a)展示了不同線圈夾角的仿真模型。(b)(c)分別展示了TI-TMS和TMS在不同角度下的電場分布圖。對比可知，TI-TMS的電場能量更集中于深部中心區(qū)域，而TMS的電場則更分散于淺層。

圖13 刺激深度d1/2和刺激面積S1/2隨角度變化趨勢

圖13定量分析的關(guān)鍵圖。(a)顯示TI-TMS的刺激深度始終大于TMS，且隨線圈夾角減小而增加。(b)顯示TI-TMS的聚焦面積始終小于TMS。此圖證明了TI-TMS在深度和聚焦性上的雙重優(yōu)勢。

物理驗證結(jié)果：

系統(tǒng)成功輸出60A、5000/5020 Hz的穩(wěn)定正弦電流（圖9）。鹽水球?qū)嶒炛袑崪y的磁場分布與仿真結(jié)果高度吻合（圖14），雖然絕對值略低，但變化趨勢一致，驗證了所設(shè)計系統(tǒng)能產(chǎn)生與預(yù)期一致的電磁場。溫升測試表明系統(tǒng)在安全工作溫度內(nèi)（圖5）。

圖14 仿真與實測磁場對比

圖14系統(tǒng)有效性的終極驗證。將圖11中三條線（Line 1,2,3）上的磁場仿真值（黃線）與實測值（綠線）進(jìn)行對比，兩者趨勢高度一致，雖實測值略低（源于模型誤差），但強有力地證明了系統(tǒng)能產(chǎn)生預(yù)期磁場。

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總結(jié)

本研究系統(tǒng)地提出、設(shè)計并驗證了一種基于雙曲橢圓線圈的TI-TMS系統(tǒng)。工作包含從原理仿真、線圈結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、硬件系統(tǒng)實現(xiàn)到實驗驗證的完整閉環(huán)。研究結(jié)果有力地證明了TI-TMS技術(shù)在解決深部腦刺激“深度-聚焦性”權(quán)衡難題上的巨大潛力。所開發(fā)的安全、穩(wěn)定、可靠的TI-TMS系統(tǒng)平臺，為后續(xù)開展動物實驗和最終臨床應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)，標(biāo)志著向?qū)崿F(xiàn)非侵入性、高精度深部腦神經(jīng)調(diào)控邁出了關(guān)鍵一步。