时间干涉经颅磁刺激TI-TMS是经颅磁的未来吗

 

HUIYING

TI-TMS 概述、优势与适应症

TI-TMS定义：

TI-TMS（时间干涉经颅磁刺激） 是一种创新的非侵入性神经调控技术，其核心原理是将时间干涉（TI）概念与经颅磁刺激（TMS）相结合（如图1）。该系统通过两对独立的线圈分别施加频率略有差异（如5.00 kHz vs. 5.02 kHz）的高频正弦电流，这两个高频磁场在深部脑区交汇叠加，利用神经元的低通滤波特性，在其交汇处产生一个低频包络调制电场，从而选择性地激活深层目标神经元，而浅层神经元因对高频场不敏感而不会被激活。

 

图1 TI-TMS原理示意图

 

TI-TMS优势：

相较于传统TMS，TI-TMS的优势在于它巧妙地突破了刺激深度与聚焦性之间的传统权衡（trade-off）。传统TMS使用单一线圈，为了达到更深刺激深度必须使用更大线圈，但这会导致聚焦性变差（刺激区域过大），可能激活非目标区域并引发副作用（如癫痫）。TI-TMS（双圆线圈）在相同线圈角度下，其半值深度（d1/2）显著大于传统TMS，而半值面积（S1/2）则更小，证明了其“更深、更聚焦” 的核心优势。其适应症主要针对需要深部脑区刺激的神经系统疾病，如帕金森病（刺激丘脑底核）、抑郁症（刺激腹侧纹状体/前额叶深部）、癫痫（抑制海马体异常放电） 等，为这些疾病的非侵入性治疗提供了新途径。

 

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TI-TMS 系统设计关键

TI-TMS系统（图2）的核心是一个基于双全桥逆变器的精密功率驱动架构，其设计目标是生成两路独立可控的高频正弦电流。如图3所示，系统首先将可调直流电源提供的直流电输入两个由IGBT（Q1-Q8）构成的H桥逆变器；每个H桥由DSP产生的特定频率PWM信号驱动，将直流电逆变为高频方波电压（U₁, U₂）；随后，这些方波电压被馈入由谐振电容（C_s1, C_s2）和刺激线圈电感（L_s1, L_s2）构成的LC串联谐振网络，利用谐振电路的选频特性滤除高次谐波，最终在线圈中产生纯净、稳定的高频正弦电流；该电流流经线圈电阻（R_s1, R_s2）并产生所需的高频时变磁场，从而通过时间干涉原理实现深部脑刺激。整个设计确保了双路电流的频率、幅度和波形质量的可控性与稳定性，是TI-TMS技术得以实现的硬件基础。

 

图2 TI-TMS系统框图

 

电源系统（图3）：

该系统采用两级变换架构。第一级为可调直流电源（DC Power），将市电转换为幅值可调的直流电压。第二级为两个全桥逆变电路（H-bridge Inverter），每个桥路由四个IGBT（FGH60N60SMD）组成，由DSP（TMS320F28335）产生的两路不同频率的PWM信号（如5kHz与5.02kHz）驱动，将直流电逆变为两个高频方波电压。第三级，方波电压输入由谐振电容（Cs）和刺激线圈（Ls） 构成的LC串联谐振电路，利用其选频特性滤除高次谐波，最终在线圈中产生纯净的高频正弦电流。电容值（12μF）根据谐振公式和测得的线圈电感（85μH）精确计算得出。

 

  图3 核心系统电路设计

 

散热系统：

由于线圈中通入的是连续高频大电流（60A），而非传统TMS的短暂脉冲，热管理至关重要。系统采用多层次散热方案：首先，在每个IGBT桥臂上并联两个IGBT以分担电流，减少单个元件的发热（图3）。其次，在逆变器模块上安装了由温控开关（KSD301）控制的冷却风扇（图4），当温度超过阈值时自动启动强制风冷。计算与实验表明，在60A工作电流下，线圈温升速率仅为0.016K/s，运行5分钟后温度从28°C升至33°C（图5），无需额外线圈冷却系统即可稳定工作。

 

图4 全桥逆变模块实物  

 

图4展示了逆变电路的工程实现，包括IGBT、驱动接口、散热风扇、温控开关等关键部件，体现了对散热和功率处理的实际考量。

 

图5 线圈温度变化红外热像图

 

图5显示在60A电流下连续工作5分钟，线圈温度仅从28°C上升至33°C，温升可控，证明在当前参数下散热系统设计有效。

 

线圈设计：

  本研究的关键创新在于线圈结构。摒弃传统的圆形或8字形线圈，设计了双曲椭圆线圈（Double curved-elliptical coils），如图6所示。这种形状能更好地贴合人体头皮的解剖结构，从而更有效地将磁场汇聚至目标深部区域。通过仿真优化两线圈间的夹角（图7角度β），最终实现了优异深度与聚焦性性能。

 

图6 双曲椭圆线圈实物

 

图6展示了将仿真模型转化为实物的线圈结构，是其创新点的实体证明。

 

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临床研究：研究方法与结果

本研究虽未进行人体临床试验，但通过先进的计算机仿真和物理模型实验为TI-TMS的有效性与安全性提供了坚实证据。

研究方法：

仿真研究：

使用COMSOL软件建立五层球头模型（头皮、颅骨、脑脊液、灰质、白质）和基于MRI的真实头模型（图7,8a）。仿真对比了传统TMS与TI-TMS在不同线圈结构、不同角度下的性能指标（电场强度Emax, 刺激深度d1/2, 刺激面积S1/2）。

 

  图7 五层球头模型与线圈位置 

 

图7展示了仿真所采用的简化头模型（由外至内：头皮、颅骨、CSF、灰质、白质）和线圈的相对空间位置。图中标注了关键参数，如线圈夹角β、椭圆线圈的内外径（A,a,B,b），是仿真设置的基础。

 

图8 真实头模型中的仿真

图8证明了TI-TMS技术在非对称、真实解剖结构中的有效性。(a) 线圈与真实头模的位置关系。(b) 整个头部的电场分布。(c) 仅灰质层的电场分布，显示刺激焦点依然清晰，未因结构不对称而失真。

 

物理验证：

搭建完整的TI-TMS硬件系统（图9）。使用示波器测量线圈电流的幅度与频率（图10）。制作生理盐水球模型模拟人体头部导电介质，使用高斯计测量球内特定路径（Line 1,2,3）上的磁感应强度分布（Fig. 15d），并与仿真结果（Fig. 15a-c）进行对比。

 

图9 完整TI-TMS系统    

 

图9 展示了系统集成后的最终形态，包括主机箱（内含电源、逆变、控制模块）和连接的双曲椭圆线圈。

 

图10 系统线圈示波器电流示意图

 

示波器截图（图10）显示两个线圈的输出电流为纯净的60A正弦波，频率分别为5.00kHz和5.02kHz。

 

 

图11 盐水球模型与实验

 

图11(a-c) 为仿真模型及X-Z, Y-Z平面的磁场分布云图。(d) 为物理实验平台，包括盐水球、线圈和高斯计。该图搭建了仿真与实验对比的桥梁。

 

研究结果：

仿真结果：

  证实TI-TMS在深度和聚焦性上全面优于传统TMS（图13、图14）。双曲椭圆线圈性能最佳（Table 1）。在不对称的真实头模型中，TI-TMS依然能保持良好的聚焦效果（图7），证明其鲁棒性。

 

图12 不同角度下TI-TMS vs TMS仿真  

 

图12 (a) 展示了不同线圈夹角的仿真模型。(b)(c) 分别展示了TI-TMS和TMS在不同角度下的电场分布图。对比可知，TI-TMS的电场能量更集中于深部中心区域，而TMS的电场则更分散于浅层。

 

图13 刺激深度d1/2和刺激面积S1/2随角度变化趋势   

 

图13 定量分析的关键图。(a) 显示TI-TMS的刺激深度始终大于TMS，且随线圈夹角减小而增加。(b) 显示TI-TMS的聚焦面积始终小于TMS。此图证明了TI-TMS在深度和聚焦性上的双重优势。

 

物理验证结果：

系统成功输出60A、5000/5020 Hz的稳定正弦电流（图9）。盐水球实验中实测的磁场分布与仿真结果高度吻合（图14），虽然绝对值略低，但变化趋势一致，验证了所设计系统能产生与预期一致的电磁场。温升测试表明系统在安全工作温度内（图5）。

 

图14 仿真与实测磁场对比 

 

图14 系统有效性的终极验证。将图11中三条线（Line 1,2,3）上的磁场仿真值（黄线）与实测值（绿线）进行对比，两者趋势高度一致，虽实测值略低（源于模型误差），但强有力地证明了系统能产生预期磁场。

 

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总结

本研究系统地提出、设计并验证了一种基于双曲椭圆线圈的TI-TMS系统。工作包含从原理仿真、线圈结构创新、硬件系统实现到实验验证的完整闭环。研究结果有力地证明了TI-TMS技术在解决深部脑刺激“深度-聚焦性”权衡难题上的巨大潜力。所开发的安全、稳定、可靠的TI-TMS系统平台，为后续开展动物实验和最终临床应用奠定了坚实的基础，标志着向实现非侵入性、高精度深部脑神经调控迈出了关键一步。