经颅磁刺激现已广泛应用于心理认知科学、神经精神类疾病等领域的临床实验和研究中。经颅磁刺激设备中，刺激线圈的设计在颅内电场的形成过程中起重要作用。磁刺激线圈在大脑中产生的诱发电场需达到一定的阈值才能达到刺激目的。由于线圈表面磁场随着离线圈距离的变大迅速衰减，为了保证靶区电场刺激强度，线圈需要通以大电流，一般在数千个安培以上。在线圈中引入铁磁材料可辅助提高线圈诱发电场值，降低电流需求，但在实际使用过程中，铁芯带来的线圈重量不可忽视，并且位置对电磁场分布的影响需要进一步探讨。然而，目前铁芯大小、位置对于刺激线圈性能的影响尚未有文献研究。
为此，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员杨晓冬桌面磁共振波谱组提出一种基于铁芯改进的经颅磁刺激线圈结构。针对最常用的8字形线圈及slinky线圈引入铁芯，分析铁芯位置、大小对结构线圈的性能改善，通过改变线圈中铁芯的填充因子及铁芯在线圈中的位置，得出铁芯线圈诱发电场最大值、刺激深度、聚焦性及铁芯功耗的比较结果，为不同情况下在线圈中添加铁芯的方法给出参考。根据合成的品质因数，填充系数为0.4，铁芯靠近线圈的内侧时，两种铁芯线圈的总体性能最佳。加工设计的三个线圈模型经过测试证明，电感、磁场检测结果与仿真结果吻合良好。
研究提出的基于8字型线圈和slinky基本结构的铁芯线圈系统优化方法可用于改善铁芯经颅磁刺激线圈性能，降低功耗要求，并指导其他类型铁芯经颅磁刺激线圈的设计。下一步，团队将基于此优化的铁芯线圈结构，进行介质中和在体的电场测试，促进研究成果在人体经颅磁刺激物理调控中的应用。
相关研究成果以Optimal Design of Transcranial Magnetic Stimulation Coil with Iron Core为题，发表在Journal of Neural Engineering上。
图1.slinky铁芯线圈，a）无铁芯；b）填充因数为0.4的铁芯线圈；c）填充因数为1的铁芯线圈
图2.不同填充因子的铁芯线圈实测和仿真数据对比
来源：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所
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