基于COMSOL的经颅磁刺激线圈设计与实现_唐晋北.pdf

34 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Electronics 电子学生的电场在大脑表面对称分布，拥有较强的刺激强度1。2002年，Roth等人设计了一种用于脑区深部刺激的线圈，该线圈为H形线圈的原形，和8字形相比，该线圈拥有更深的穿透性，从而对大脑深部刺激的研究就此展开2。2016年，Siyuan Chang团队通过调整双锥形线圈的开口角度，使双锥形线圈的刺激深度达到了极致3。2019年，李甲笠等人通过对8字形线圈增加0 引言经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation，TMS）是一种通过非入侵性的脑刺激技术。这种无痛、无创的技术使同时刺激中枢和外周神经系统成为可能。1 研究背景1985年Barker研发出第一台现代经颅磁刺激仪；1988年，Ueno首次提出8字形线圈，该线圈产作者简介：唐晋北，江西脑调控技术发展有限公司，燕山大学电气工程学院；研究方向：控制技术。收稿日期：2022-12-19；修回日期：2023-04-12。摘要：阐述经颅磁刺激仪（TMS）中刺激线圈与激励电路是最为核心的两个技术。基于COMSOL设计了一款针对0形线圈和8字形线圈的仿真App，可以实现自动建模并得出线圈的磁场分布及大小与相应的刺激深度与磁场强度的关系曲线，还可根据不同的需求更改激励源的电压和工作频率。设计的App能有效提高线圈的优化效率，避免了不同匝数，线径的线圈建模等重复性操作，根据不同的激励源选定相应的刺激电压与频率，定制出在此激励源下效果最好的O形线圈和8字形线圈，为线圈的优化提供依据。关键词：控制技术，COMSOL，经颅磁刺激，刺激线圈，聚焦性。中图分类号：TP391.9文章编号：1000-0755(2023)04-0034-03文献引用格式：唐晋北，胡卫政，邓林强，张少群，李英伟.基于COMSOL的经颅磁刺激线圈设计与实现J.电子技术,2023,52(04):34-36.基于COMSOL的经颅磁刺激线圈设计与实现唐晋北1,2，胡卫政1，邓林强1，张少群3，李英伟1,4（1.江西脑调控技术发展有限公司，江西 343000；2.燕山大学 电气工程学院，河北 066004；3.中国兵器工业计算机应用技术研究所智能控制系统研发部，北京 100089；4.燕山大学 信息科学与工程学院，河北 066004）Abstract This paper explains that the stimulation coil and excitation circuit are the two most core technologies in transcranial magnetic stimulation(TMS).Based on COMSOL,a simulation app has been designed for 0-shaped coils and 8-shaped coils.It can automatically model and obtain the relationship curve between the magnetic field distribution and size of the coil and the corresponding stimulation depth and magnetic field intensity.It can also change the voltage and working frequency of the excitation source according to different needs.Its designed app can effectively improve the optimization efficiency of the coil,avoiding repetitive operations such as modeling coils with different turns and wire diameters.Based on different excitation sources,the corresponding stimulation voltage and frequency are selected,and the best O-shaped coil and 8-shaped coil with this excitation source are customized,providing a basis for coil optimization.Index Terms control technology,COMSOL,transcranial magnetic stimulation,stimulation coil,focusing.Design and Implementation of Transcranial Magnetic Stimulation Coil Based on COMSOLTANG Jinbei1,2,HU Weizheng1,DENG Linqiang1,ZHANG Shaoqun3,LI Yingwei1,4(1.Jiangxi Brain Regulation Technology Development Co.,Ltd.,Jiangxi 343000,China.2.School of Electrical Engineering,Yanshan University,Hebei 066004,China.3.Intelligent Control System Research and Development Department of China Ordnance Industry Computer Application Technology Research Institute,Beijing 100089,China.4.School of Information Science and Engineering,Yanshan University,Hebei 066004,China.）电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 35Electronics 电子学屏蔽板提高了8字形线圈的聚集性4。如今，经颅磁刺激已经广泛应用于精神病学、神经病学以及康复科等方面，而刺激线圈作为经颅磁刺激的重中之重，一直是研究的主攻方向。线圈的结构以及性能参数直接决定了感应磁场的刺激强度，刺激深度以及聚焦性，因此经颅磁刺激磁场仿真在优化刺激方案及优化线圈设计方面具有重要意义。2 经颅磁刺激模型的建立 2.1 线圈模型建立经颅磁刺激系统模型主要分为线圈、五层同心圆头模型以及空气域，如图1所示。在线圈、头模型和空气域创建完成后，我们需要在全局定义内的材料模块将各个属性赋给模型的各个部分，我们使用铜做线圈，而头部模型主要分为头皮、颅骨、脑脊液、灰质和白质，其材料数据来自Yu Huang,Lucas C等人在研究EEG和TES的过程中建立的一个有限元真实头模型：“The New York Head”5。COMSOL提供了非常强大的网格划分能力，主要包含：自由四面体网格，自由三角形网格和自由四边形网格；此次建立模型为3D模型，选择划分的网格为自由四面体网格，这是因为自由三角形网格和自由四边形网格都是用在2D模型的划分。此外，使用者还可以从实际需求与电脑设备等因素综合考虑，根据模型中不同部位的重要性进行去粗化或细化网格，本例中采用统一较细化对该模型进行划分，如图1中所示。2.2 App的建立虽然COMSOL的人机交互页面非常的友好，但是如果每次进行仿真实验时如果都需要重新对线圈进行建模，设置材料属性以及划分网格大小，依旧会让人感到十分烦琐复杂，不仅使工作效率降低，还容易出错。因此将模型建立后，通过函数实现线圈的匝数，内径与径向距离数字化编辑，开发App能够有效避免以上重复性工作，大大提高仿真效率。在模型创建完毕的基础上，可通过COMSOL软件内部功能“App开发器”来开发出一个能够覆盖COMSOL内部功能的App。通过编辑器工具可开发出一个对匝数，线圈内径，电压大小，电压频率以及网格大小可调的O形/8字形线圈的仿真App。该App可以在任意WINDOWS电脑上运行，不需要预装COMSOL，提高了仿真的便携性，便于线圈工作者在任何位置对线圈进行分析。该App的设计的基本流程如下。（1）建立正确的TMS模型，通过函数实现线圈的匝数，内径与径向距离数字化编辑。（2）通过COMSOL自带的App开发器将其参数设置与原模型的匝数等参数联系起来，实现在App内建立模型的功能。（3）在App中插入画布和按钮功能，并将它们与原始COMSOL模型产生结果所需要的功能联系起来，使其能够显示仿真结果。图2为建立的App的.EXE属性，图3,图4,图5，图6分别为软件内各置的功能以及反映在画布上的最终结果。（a）O型线圈和5层同心球头模（b）8字型线圈和5层同心球头模图1 传统TMS线圈仿真模型图2 App属性格式图3 绘制几何按钮功能图4 绘制网格按钮功能36 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Electronics 电子学 2.3 App的应用与仿真结果分析图7为使用通过COMSOL设计出的App所得到的O形线圈与8字形线圈的磁场分布图。图7（a）是O形线圈的脑部磁场分布图。可以看出正位于头部上方的O形线圈在头部产生的磁场峰值是在线圈的正下方并随着两边逐渐扩散。图3（b）是8字形线圈的脑部磁场分布图。可以看出正位于头部上方的8字形线圈产生的磁场峰值其实是处于相应两个O形线圈的正下方，因此从这可以看出8字形线圈并不适合用作精准刺激的治疗情况。3 结语基于COMSOL有限元分析软件，我们实现了经颅磁刺激线圈的参数化设计和仿真，并提出了一种用于线圈性能和线圈匝数定量分析的App，其结果表明本文所设计的软件系统能使设计人员避免了没有理论依据凭借实际测试而造成的材料与时间上的浪费，可以有效提高设计人员的工作效率与系统的开发质量。参考文献1 Ueno S,Tashiro T,Harada K.Localized stimulation of nerves and muscles by means of a pair of pulsed magnetic fieldsJ.Journal of the Magnetics Society of Japan,1988,12(2):415-418.2 Seminowicz D A,Mayberg H S,Mcintosh A R,et al.Limbic-frontal circuitry in major depression:a path modeling metanalysis.J.Neuroimage,2004,22(1):409-418.3 Rastogi,P.,Lee,E.G.,Hadimani,R.L.,&Jiles,D.C.Transcranial Magnetic Stimulation-coil design with improved focalityJ.AIP Advances,2016,7(5):056705.4 李甲笠,任萌,汪文静,徐曙天,徐菁菁,张思聪,单春雷.经颅磁刺激8字形线圈聚焦性增强技术仿真研究J.航天医学与医学工程,2019,32(02):173-177.5 Y.Huang,L.C.Parra,S.Haufe.The New York Head-A precise standardized volume conductor model for EEG source localization and tES targetingJ.Neuro Image,2016,140:150-162.图5 计算