平面圓盤形線圈耦合技術(shù)在外置式腦起搏器中的應(yīng)用研究

帕金森?。≒arkinson’s Disease，PD）是一種常見的中老年神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，病變發(fā)生在中腦部位，該處有一群黑質(zhì)神經(jīng)元，可以合成一種叫做“多巴胺”的神經(jīng)遞質(zhì)，投射到大腦中的某些區(qū)域，對(duì)運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果這些黑質(zhì)神經(jīng)元變性死亡80%以上，大腦內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺不能再調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)正常功能，就會(huì)出現(xiàn)帕金森病的癥狀。在我國，55歲以上老年人中約有170多萬帕金森病患者，患病率與歐美國家接近。

現(xiàn)階段除了藥物治療以外，外科手術(shù)治療也可以起到很好的療效，常用方法有：腦細(xì)胞移植術(shù)、毀損術(shù)以及腦深度電刺激技術(shù)（Deep Brain Stimulation， DBS）即腦起搏器。腦細(xì)胞移植術(shù)和基因治療雖然已經(jīng)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上取得了很大成功，但由于臨床缺乏理想的移植組織，目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，不宜普遍采用。毀損術(shù)是利用電燒灼法破壞腦內(nèi)功能異常興奮核團(tuán)，雖然效果已經(jīng)被公認(rèn)，但作為一種具有破壞性的手術(shù)，并發(fā)癥較高、易復(fù)發(fā)，而且對(duì)患者的年齡、適應(yīng)癥等要求也較高，存在明顯不足之處。腦深度電刺激技術(shù)是利用腦立體定向手術(shù)在腦內(nèi)某一特殊的位置植入電極，通過高頻電刺激抑止異常電活動(dòng)的神經(jīng)元，從而起到治療的效果。該技術(shù)最大的特點(diǎn)是療效確切、安全、可通過術(shù)后調(diào)整控制到最佳狀態(tài)，副作用小，不破壞腦組織，不影響今后其他新方法的治療。因此，目前DBS技術(shù)已經(jīng)基本取代了毀損術(shù)成為帕金森病外科治療的首選。

臨床應(yīng)用的腦起搏器主要包括四部分，植入患者體內(nèi)的部分有：神經(jīng)刺激器、腦起搏器導(dǎo)線、延長線，體外部分為控制磁鐵。神經(jīng)刺激器包括一個(gè)電池和一組微電路系統(tǒng)，植入鎖骨附近皮下，可經(jīng)延長線將產(chǎn)生的電信號(hào)傳導(dǎo)至腦內(nèi)深層的目標(biāo)部位。每一條腦起搏器導(dǎo)線都包括4條薄絕緣線圈及尖端的4個(gè)1.5mm電極，導(dǎo)線利用一個(gè)電極或多電極組合來傳遞刺激。延長線植于皮下，通過頭、頸、肩的絕緣線，用以連接導(dǎo)線與植入的神經(jīng)刺激器?？刂拼盆F為患者操控部分，患者可將控制磁鐵置于神經(jīng)刺激器上方以控制刺激器的開關(guān)。這種腦起搏器的缺點(diǎn)是脈沖發(fā)生器的電池一般只能維持5～8年，電池用盡后需要更換鎖骨皮下的脈沖發(fā)生器，而且，體內(nèi)多處植入異物容易引起皮膚潰爛。目前只有美國的美敦力公司（Medtronic Inc.）生產(chǎn)的腦起搏器（Activa Therapy）獲得了美國食品藥品管理局（FDA）的認(rèn)可通過，因此美敦力公司占據(jù)著臨床所需腦起搏器的壟斷地位，對(duì)于中國的患者來說價(jià)格昂貴。鑒于此，對(duì)腦深度電刺激系統(tǒng)的自主研發(fā)和進(jìn)一步改善就顯得尤為重要。

本文討論一種新型腦起搏器——外置式腦起搏器，這種腦起搏器在傳統(tǒng)腦起搏器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將信號(hào)發(fā)生裝置、控制裝置以及電源全部移至體外，顱內(nèi)只留下刺激電極。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是避免了鎖骨下方的創(chuàng)口，同時(shí)避免了大量的導(dǎo)線在體內(nèi)通過，減少了感染的危險(xiǎn)，最大程度減少了病人的痛苦。體外脈沖發(fā)生器的隨意更換使患者不再受電池電量的制約，使用起來更加方便、輕松。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

外置式腦起搏器利用線圈可以耦合交流信號(hào)的特性來傳遞刺激信號(hào)。系統(tǒng)分為兩部分，分別位于人腦頭頂頭皮的兩側(cè)，體外部分包括信號(hào)發(fā)生器、控制器、電源和顯示裝置，體內(nèi)部分主要為刺激器，系統(tǒng)框圖見圖1。兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分由一對(duì)線圈連接起來，將刺激信號(hào)由體外耦合至體內(nèi)的刺激器。外置式腦起搏器在給患者帶來使用上方便的同時(shí)，也給設(shè)計(jì)帶來了一定的挑戰(zhàn)。由于信號(hào)是經(jīng)過頭皮傳輸過去的，所以要保證顱內(nèi)接受到的脈沖信號(hào)的波形和功率能夠達(dá)到治療的要求。

腦內(nèi)線圈（次級(jí)線圈）與腦外線圈（初級(jí)線圈）

次級(jí)線圈為需要和刺激電極相連的線圈，由于次級(jí)線圈要植入人腦內(nèi)，所以需采用特殊形狀線圈以節(jié)省空間，希望線圈越小越薄越理想。本文設(shè)計(jì)的為一平面圓盤形線圈，理論上使線圈繞制成單層，猶如蚊香的形狀，但考慮到實(shí)際繞制時(shí)的技術(shù)原因，將線圈分為了10層平面圓盤，每層100匝。選用線徑為0.06mm的漆包線，所以整個(gè)線圈厚度也只有0.6mm，外徑d1=30mm，內(nèi)徑d2=18mm。

由于初級(jí)線圈可以放在大腦頭皮外側(cè)，所以對(duì)初級(jí)線圈大小和形狀的要求不如上述次級(jí)線圈嚴(yán)格，只要做到盡量小和盡量薄就可以了。設(shè)計(jì)的初級(jí)線圈為800匝，由線徑為0.2mm的漆包線繞制而成，也盡量繞成平面原盤形，可以允許一定的厚度。經(jīng)測(cè)量，線圈厚度為5mm，外徑d1=20mm，內(nèi)徑d2=12mm。

電感量和互感

電感量

對(duì)于平面圓盤形線圈，其電感量的計(jì)算可參考以下公式：

（二）次級(jí)線圈

經(jīng)測(cè)量，線圈將1000匝分為了10層平面圓盤，漆包線線徑0.06mm，整個(gè)線圈厚度為0.6mm，外徑d1=30mm，內(nèi)徑d2=18mm。r=6mm，

其中：μ0為真空中的磁導(dǎo)率。

R1、r1分別為初次級(jí)線圈的內(nèi)徑。R2、r2分別為初次級(jí)線圈的外徑。h為兩線圈平面之間的距離。

兩個(gè)平面線圈之間的互感主要與兩者之間的距離和各自的尺寸相關(guān)，h越小，M就越大。根據(jù)此公式計(jì)算兩線圈之間的互感，得到：

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

磁芯和磁罐

由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率很大，所以鐵芯具有使磁場(chǎng)集中到其內(nèi)部的作用。為了使信號(hào)的傳輸效率最大，可以在線圈周圍加上磁罐或內(nèi)部放置磁芯，以增加初次級(jí)線圈之間的互感，提高耦合效率。如果使兩個(gè)線圈同時(shí)經(jīng)過一根鐵芯，可以使次級(jí)線圈得到信號(hào)的幅度為最大，但由于兩個(gè)線圈分別位于頭顱兩側(cè)，因此需分別使用一對(duì)彼此分離的鐵磁材料互相配合來增加互感。

信號(hào)耦合

本文中所討論的平面圓盤形線圈耦合技術(shù)，是首次將線圈能夠耦合交流信號(hào)這一特點(diǎn)用在腦深度電刺激之中，耦合到的信號(hào)否能滿足治療帕金森病的刺激強(qiáng)度是研究的關(guān)鍵。在腦深度電刺激的治療中，刺激的強(qiáng)度和頻率依刺激的部位不同而不同，但大致的范圍如下。

刺激頻率：100～250Hz

脈沖寬度：60～210μs（平均脈寬為150μs）

電壓幅值：1“3.75V（平均2.025V，最高可達(dá)10.5V）

主要刺激部位：雙側(cè)丘腦底核（STN），其他部位還包括內(nèi)側(cè)蒼白球腹后部（Gpi）和丘腦腹外側(cè)核的腹中間核（Vim）［10］

因此只要次級(jí)線圈接收到的信號(hào)在額定的負(fù)荷下達(dá)到上述強(qiáng)度，即可滿足要求。

電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)要考慮到刺激系統(tǒng)的魯棒性，即兩級(jí)線圈在一定范圍內(nèi)發(fā)生相對(duì)位置變化時(shí)仍能保證輸出刺激參數(shù)有效的特性。因此，在本電路中選擇各參數(shù)如下：初級(jí)線圈為800匝，信號(hào)產(chǎn)生電路為一三極管開關(guān)電路，使初級(jí)線圈產(chǎn)生一個(gè)頻率為130.7Hz、幅度為5V脈沖信號(hào)，脈沖寬度需根據(jù)次級(jí)線圈的脈沖寬度調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)選定在1.65ms。次級(jí)線圈為1000匝，負(fù)載為丘腦底核（STN）的平均阻抗1kΩ，次級(jí)線圈接收到的信號(hào)頻率為130.9Hz，脈沖寬度120ms，峰峰值根據(jù)有無鐵芯、線圈之間距離以及偏心距的不同而不同。

鐵芯的影響

可以肯定，鐵芯可以減少線圈之間的漏感，使次級(jí)線圈信號(hào)的峰峰值更大，這一點(diǎn)也可以從實(shí)驗(yàn)中看出。保持初級(jí)線圈產(chǎn)生的信號(hào)不變，并且使兩線圈圓心對(duì)準(zhǔn)，在兩個(gè)線圈之間距離保持5.5mm不變的情況下，如果不放入鐵芯，次級(jí)線圈得到的信號(hào)峰峰值為3.40V。若在初級(jí)線圈內(nèi)放入磁芯，次級(jí)線圈外套有磁罐（磁罐與磁芯相比，在顱內(nèi)更具有體積優(yōu)勢(shì)），次級(jí)線圈得到的信號(hào)峰峰值為10.6V，是無磁芯時(shí)的三倍。

兩線圈之間的距離與放置在顱內(nèi)的位置有關(guān)，當(dāng)放置在大腦頂部時(shí)，由于成人顱頂骨的厚度約為5mm左右，最厚的部位可達(dá)10mm，所以使兩線圈之間的距離限制在10mm以內(nèi)。

線圈之間距離的影響

設(shè)兩線圈平面之間的距離為d，在初級(jí)線圈內(nèi)放有鐵芯，次級(jí)線圈外套有磁罐的情況下，保持兩線圈的中心軸一致，測(cè)量在不同距離d下得到的次級(jí)線圈信號(hào)峰峰值A(chǔ)，見表1和圖3。

從曲線圖中不難看出，兩線圈之間的距離與次級(jí)線圈峰峰值近似成負(fù)指數(shù)關(guān)系，在距離為5mm左右時(shí)，微弱的距離變化會(huì)引起一個(gè)較大的次級(jí)信號(hào)強(qiáng)度的變化，但是在5.5mm～12mm范圍內(nèi)的信號(hào)值均可以滿足刺激需要，因此具有一定的魯棒性。但是，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中仍要特別注意帕金森病人由于自身運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致線圈之間距離變化而引起的次級(jí)信號(hào)的變化，盡量初級(jí)線圈固定在患者頭皮以得到最大的刺激強(qiáng)度。

線圈偏心距的影響

在外置式腦起搏器中，由于有一個(gè)線圈在體外，因此，兩個(gè)線圈除了距離的變化以外，還有可能產(chǎn)生平面的滑移，那么線圈偏心距對(duì)次級(jí)線圈信號(hào)強(qiáng)度的影響也是必須考慮的因素之一。實(shí)驗(yàn)中初級(jí)線圈的脈沖頻率f=136Hz，脈寬Tw=1.65ms，幅值為5V。當(dāng)兩線圈保持間距d=7mm時(shí)，測(cè)量不同偏心距r下次級(jí)線圈得到的信號(hào)峰峰值A(chǔ)，見表2和圖4。

從曲線中可以看出，兩線圈偏心距r與次級(jí)線圈峰峰值之間近似成線性關(guān)系，隨著偏心距r的增大而減小。可以看出系統(tǒng)在一定的偏心范圍內(nèi)均可達(dá)到刺激強(qiáng)度的需要，也具有一定的魯棒性。但在實(shí)際使用當(dāng)中，仍應(yīng)當(dāng)增加一個(gè)對(duì)準(zhǔn)的裝置，以盡量保證兩個(gè)線圈的中心軸能在一條直線上，得到最大的刺激信號(hào)和最高的效率。

結(jié)語

本文首次將線圈耦合交流信號(hào)這一原理引入了帕金森病的治療當(dāng)中，提出了外置式腦起搏器的設(shè)計(jì)方案。對(duì)平面線圈的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，分析了次級(jí)信號(hào)的強(qiáng)度與各種參數(shù)之間的關(guān)系，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提出了指導(dǎo)性的方案。實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)的刺激信號(hào)可完全滿足腦深度電刺激的要求，并且系統(tǒng)具有一定的魯棒性。

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