[发明专利]一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈

说明书

本发明公开了一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈，属于生物医学工程领域，实现了一种细胞级的微磁刺激，具有定位准确，高空间分辨率的优点，可应用于神经精神疾病的诊断和治疗。步骤为：研究固定尺寸100μm×100μm平面方形螺旋线圈线宽、匝数、厚度，间距，确定线圈的具体结构参数；在确定线圈结构的基础上，研究覆盖磁屏蔽层的微线圈在不同结构下的性能参数，确定覆盖磁性层线圈的结构为F/C结构；研究了不同磁屏蔽层图案、磁屏蔽层图案的厚度、间距和宽度对微线圈电感L和磁感应强度B的影响，从而确定细胞级F/C结构微信线圈的具体几何参数。

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种改进的细胞级F/C结构的微磁线圈。

背景技术

精神疾病是脑功能异常导致认知、情感、意志和行为紊乱的一类疾病，包括阿尔兹海默症、精神分裂症、自闭症和抑郁症等。电磁刺激技术是目前诊断、治疗和研究神经精神疾病的一个主要手段。目前主要技术有电刺激(Electrical Stimulation，ES)和经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)；电刺激包括深部脑刺激(Deep BrainStimulation，DBS)、颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)。临床试验表明TMS对于治疗许多神经系统疾病，如重性抑郁症和阿尔兹海默症等都具有治疗益处。虽然，DBS和TMS对脑活动的影响以及这些影响如何改变相应行为有了一定的认识，但是二者在应用中仍存在一些技术和生物学限制。应用DBS进行治疗的患者进行磁共振成像检查可能导致在刺激电极末端过度发热而导致神经损伤，DBS刺激电极直接接触生物组织，组织的炎症和免疫反应可能改变治疗效果。TMS线圈较大(尺寸：10-20cm)，磁场强度会随着场源距离的平方增大而减小，难以定位大脑深部目标区域，具有较低的空间分辨率。

微磁刺激(Micro-magnetic stimulation，μMS)是一种新兴的神经刺激技术，有望彻底改变人类神经系统的治疗刺激。该技术是使用亚毫米大小的线圈刺激神经元组织，通过微观线圈中通入时变的电流，在组织的聚焦区域产生分散的磁通密度来实现刺激。由于它的微观尺寸，可以将μMS线圈锐利地植入深部脑结构中，提供类似DBS实现的效果的治疗刺激。这种新型的非侵入性神经μMS技术，已经近证明在体外引发神经元激活的可行性。μMS线圈可以定位在与神经组织相邻的或紧邻的地方，因此，与TMS技术相比，引起神经元活动所需的功率明显降低。

2012年哈佛大学团队提出了采用螺旋形线圈电感器(RF 0402 inductor)可以激活神经元组织；2017年首次提出了0.316mm×0.316mm平面螺旋线圈的结构用于大脑神经元的刺激；2017年，Seung Woo Lee提出了可用于植入皮层内刺激的单层平面型线圈，刺激强度为50000V/m²；2017年，Giorgio Bonmassar等人证明了单层平面螺旋形结构比螺线管结构的微线圈在诱导神经激活方面效率更高，在组织中能产生高达5倍的电场，并且能量集中在线圈中心区域。2016年，M.E.Rizou等人首次提出了一种基于平面方形螺旋6×6阵列式微磁刺激线圈结构。2018年，Giorgio Bonmassar等人制作了一种加强型单层平面螺旋形线圈结构，尺寸为300μm×300μm×100μm，该结构产生的磁通量比普通平面螺旋形线圈的效果更好。2018年，Yumei Wen等人分析了软磁层中间夹线圈的结构对线圈电感数值变化的影响参数。2018年，Yao Wang等人提出一种用于敏感磁场检测的叠加多层磁屏蔽层的结构，该结构可以提高线圈电感的数值。2018年，Fapeng Song等人提出了一种磁性薄膜/平面线圈多层耦合电感器结构，利用强互耦合在相对较低的工作频率下实现了磁探测传感器的高灵敏度。

微磁线圈存在电感值L小，功耗大，磁感应强度B弱且分布不均匀等问题；金属夹层结构的电感器，利用软磁材料的高磁导率可以提高平面线圈的电感，但是效率也不高，同时该结构引入了高交流导体损耗和高涡流。因此，发展一种具有高灵敏度、高空间分辨率的微磁刺激器，完成对神经元轴突方向的定向激活，对于治疗癫痫、抑郁等精神疾病具有重要意义。