经颅磁刺激线圈发热检测：原理、方法与临床意义

一、引言

经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）是一种非侵入性神经调控技术，通过线圈产生的脉冲磁场穿透颅骨，诱导大脑皮层神经元产生动作电位，从而实现对神经功能的调节。自20世纪80年代问世以来，TMS已广泛应用于抑郁症、癫痫、帕金森病等神经精神疾病的临床治疗，以及认知神经科学的基础研究。然而，TMS线圈在工作过程中不可避免地会产生发热，若温度过高，可能导致患者皮肤灼伤、线圈性能衰减甚至设备损坏，严重影响治疗安全性与有效性。因此，线圈发热检测成为TMS技术优化与临床应用的关键环节。

二、TMS线圈发热的机制

TMS线圈的发热主要源于电磁能量损耗，具体可分为三类：

1. 焦耳热（ resistive loss）

线圈是TMS设备的核心部件，通常由多匝铜导线绕制而成。当脉冲电流通过线圈时，导线的电阻会产生焦耳热（$Q=I^{2}Rt$，其中$I$为电流，$R$为线圈电阻，$t$为通电时间）。焦耳热是线圈发热的主要来源，其强度与电流平方、线圈电阻及刺激持续时间正相关。例如，重复经颅磁刺激（rTMS）中，高频刺激（如10 Hz以上）会导致电流持续累积，焦耳热显著增加。

2. 涡流损耗（eddy current loss）

TMS线圈周围的导电材料（如铁芯、线圈外壳、甚至患者头部的颅骨与脑组织）会因磁场变化感应出涡流。涡流在导体中流动时，同样会产生焦耳热。尤其是铁芯线圈（如常用的“8”字形线圈），铁芯的高磁导率会增强涡流效应，导致额外发热。

3. 磁致损耗（magnetic loss）

铁芯材料（如硅钢片）在磁场反复磁化过程中，会因磁畴翻转产生磁滞损耗（hysteresis loss），即磁能转化为热能。磁滞损耗与铁芯的材质、磁场强度及频率密切相关，是铁芯线圈发热的次要但不可忽视的因素。

三、线圈发热的检测方法

为了准确监测线圈温度，保障治疗安全，研究者开发了多种检测技术，可分为接触式与非接触式两大类：

1. 接触式检测：直接测温

接触式传感器通过与线圈表面物理接触，直接获取温度数据，具有精度高、响应快的优点，但可能影响线圈的磁场分布或增加操作复杂度。

• 热电偶（Thermocouple）：利用两种金属的热电效应，将温度变化转化为电压信号。热电偶体积小、成本低，适合贴附于线圈表面或埋入线圈内部。例如，有研究将K型热电偶固定于“8”字形线圈的中心与边缘，实时监测rTMS过程中的温度变化，发现线圈边缘温度可达45℃以上（超过人体皮肤耐受阈值）。
• 热电阻（RTD, Resistance Temperature Detector）：基于金属电阻随温度变化的特性（如铂的温度系数约为0.00385/℃），通过测量电阻值推算温度。热电阻的精度高于热电偶，但价格较高，且易受电磁干扰（需 shielding 处理）。
• 光纤光栅（FBG, Fiber Bragg Grating）传感器：利用光纤光栅的布拉格波长随温度变化的特性（波长漂移量与温度成线性关系），实现温度检测。FBG传感器的优势在于抗电磁干扰（光纤为绝缘材料）、多点检测（单根光纤可集成多个光栅）及柔性可贴附（适合不规则线圈表面）。例如，2021年一项研究采用FBG传感器监测rTMS线圈的温度分布，发现线圈中心温度比边缘低5-8℃，为线圈散热设计提供了直接依据。

2. 非接触式检测：间接测温

非接触式技术无需与线圈接触，避免了对磁场的干扰，适合实时监测，但精度可能受环境因素影响。

• 红外热成像（Infrared Thermography）：通过接收线圈表面的红外辐射，生成温度分布图像。红外热成像的优势是可视化（可直观观察温度热点），适合快速筛查线圈的发热区域。例如，有研究用红外热像仪拍摄rTMS线圈的温度分布，发现“8”字形线圈的两个圆形区域温度最高，对应患者头部的刺激靶点，提示需重点优化该区域的散热。
• 电阻法（Resistance-Based Method）：利用线圈自身电阻随温度变化的特性，通过测量线圈电阻间接计算温度。该方法无需额外传感器，操作简便，但准确性受线圈材料老化、接触电阻等因素影响。例如，铜线圈的电阻温度系数约为0.0039/℃，若初始电阻为$R^0$，当前电阻为$R^t$，则温度$T=T^0+(R^t-R^0)/(R^0\times \alpha )$（$T^0$为初始温度，$\alpha$为温度系数）。

3. 检测方法的比较

四、发热的影响与应对策略

1. 发热的危害

• 患者安全风险：线圈表面温度超过43℃时，可能导致皮肤灼伤（尤其是儿童或皮肤敏感者）。rTMS治疗中，高频刺激（如20 Hz）持续10分钟以上，线圈温度可升至50℃以上，需严格控制。
• 设备性能衰减：温度升高会增加线圈电阻，导致电流下降（$I=V/R$），进而降低磁场强度（$B\propto I$）。例如，线圈温度从25℃升至50℃，电阻约增加10%，磁场强度下降约10%，影响治疗效果。
• 线圈寿命缩短：长期高温会加速线圈绝缘材料（如聚酰亚胺）的老化，导致绝缘层破裂，引发线圈短路或烧毁。

2. 应对策略

• 线圈设计优化：
  • 采用高导电率材料（如无氧铜）降低电阻，减少焦耳热；
  • 增加散热结构（如线圈内部嵌入冷却水管、表面粘贴散热片），加速热量传递；
  • 选择空心线圈（无铁芯）避免磁滞损耗与涡流损耗，适合高频刺激。
• 使用参数调整：
  • 降低刺激频率（如从20 Hz降至10 Hz），减少单位时间内的电流累积；
  • 增加刺激间隔（如每刺激10秒休息5秒），让线圈有足够时间散热；
  • 限制单次治疗时间（如rTMS每次不超过20分钟），避免温度过高。
• 实时监测与反馈：
  • 结合FBG传感器或红外热成像，实时监测线圈温度；
  • 开发闭环控制系统，当温度超过阈值（如40℃）时，自动降低刺激强度或停止治疗，保障安全。

五、未来展望

随着TMS技术的普及，线圈发热检测正朝着智能化、个性化、微创化方向发展：

1. 柔性传感器的应用

开发柔性电子传感器（如聚酰亚胺基热电偶、碳纳米管薄膜传感器），可贴附于线圈表面，不影响磁场分布，同时实现高分辨率温度监测。

2. 机器学习预测

利用机器学习算法（如神经网络），结合线圈参数（电流、频率、持续时间）与环境因素（室温、患者头部散热能力），预测线圈温度变化，提前调整刺激参数，实现主动散热。

3. 高温超导材料

高温超导线圈（如钇钡铜氧超导材料）在临界温度（约90 K）以下电阻为零，可彻底消除焦耳热。尽管目前超导线圈的成本高、需要低温环境，但随着材料技术的进步，未来可能成为TMS线圈的主流。

4. 个性化治疗方案

通过监测患者头部的温度分布（如用红外热成像拍摄头部皮肤温度），结合患者的皮肤敏感度、头部解剖结构，调整线圈位置与刺激参数，实现精准测温与个性化治疗。

六、结论

TMS线圈发热是影响治疗安全与有效性的关键问题，其检测技术的发展对于TMS的临床应用至关重要。目前，接触式（如FBG传感器）与非接触式（如红外热成像）检测方法各有优势，可根据不同场景选择。未来，随着智能传感器、机器学习与新材料的应用，线圈发热检测将更加精准、便捷，为TMS技术的进一步发展提供有力支撑。

总之，线圈发热检测不仅是设备工程师的研究课题，也是临床医生保障患者安全的重要手段。只有通过多学科合作（电气工程、材料科学、神经科学），才能不断优化TMS线圈的设计与检测方法，推动这一技术在神经精神疾病治疗中的广泛应用。