文档介绍：经颅磁刺激的原理方法和应用
乔清理王明时田心
本文作者乔清理先生天津大学精密仪器与光电子工程学院生物医学工程系博士
生工程师王明时先生天津大学生命科学与工程研究院副院长教授博士
生导师田心女士天津医科大学生物医学工程系教授
关键词: 经颅磁刺激线圈感应电场
一引言
大脑是人体活动的中枢系统感觉系统输入的信息经过它的处理来支配人的
行为大脑是复杂的各个学科从不同角度对它有不同的描述而且积累了大量
的资料对损伤大脑的临床研究尸体解剖学比较以及医学成像使我们对大脑的
形态有了较为清楚的认识但是到目前为止对大脑如何工作即脑功能的了
解还不完全; 大脑工作出现异常也是束手无策 80 年代末为了更好地利用大
脑和保护大脑健康掀起了脑科学研究热潮经颅磁刺激正是在这情况下出现并
正走向成熟的一种认识调节和干预大脑的新方法
了解脑功能的基本原则是通过外界刺激大脑然后检测大脑对外界刺激的响
应为了解这些脑组织的生理功能和治疗相应的疾病传统的直接电刺激在临床
试验治疗中被广泛地应用然而直接电刺激(如使用表面电极或针电极)具有
创伤性会给受试者造成不适的感觉因而在临床上的应用受到了限制; 而且
使用电流刺激中枢神经系统时由于颅骨的存在使刺激电流有较大的衰减深部
组织难以得到刺激
经颅磁刺激(Transcranial ic Stimulation 简称 TMS)是使用脉冲磁场影
响脑的电活动的方法在 1985 年英国 Sheffield 研究人员成功地进行了经颅
磁刺激并进行首次临床检查结果证明 TMS 可用于探查运动神经路径: 对健
康人刺激运动皮质可以见到手肌肉有大约 25ms 的抽动; 而对有神经疾患的人
刺激运动皮质显示出较慢的传导 TMS 的另一个重要特点是无创伤性受试者不
会有头皮被刺的不舒适感觉这个令人鼓舞的结果促使 TMS 的商品化一种新
的脑刺激方法经颅磁刺激从此受到人们的不断关注
二磁刺激的基本原则
细胞膜保持一个电位差静态细胞的跨膜电位差是-70mV(细胞内更负) 外加
电场叠加到细胞膜两侧可以改变细胞膜电位差因此外加电场能够除极化细胞
膜激活可兴奋性组织如神经利用电磁感应的原理可以产生适合于神经刺激
的电场而且具有非侵入性在 TMS 时激活的源泉是时变磁场在组织内的
感应电场(如图 1 所示) 根据 Faraday 定律时变磁场 B(r t)在组织内矢径为 r
的任一点处的感应电场 E(r t)可以由下式获得
&
& ∂B(r&,t)
∇× E(r&,t) = −(1)
∂t
若兴奋性组织的电导率为σ那么时变磁场感应的电流密度 J 为
J=σ E (2)
从理论上根据磁场产生的方法和磁刺激的部位如头部建立组织模型利
用式(1)和(2)可以计算出所刺激部位的电场(或电流密度)分布从而寻找最佳刺激
方案确定磁刺激点或利用理论分析结果优化磁刺激仪设计
使用 TMS 的脑刺激是在脑外头皮上产生强磁场脉冲实现的磁场脉冲在脑
内感应出电场当感应电流超过神经组织兴奋阈值时磁刺激就像电刺激一样刺
激相应部位的组织磁场感应的电场激活皮质神经元需要的磁场强度在 ~3T
TMS 既可以兴奋皮质又可以干扰它的功能已观察到的兴