摘要：无创性磁刺激技术在中枢神经功能检测和神经肌肉功能恢复的应用是医学工程研究的一个新热点。文章从理论上对磁刺激的发生发展、物理原理、特性、磁刺激与标准电刺激的差别、外周磁刺激技术的多信道磁刺激对电刺激模拟等最新的发展，以及临床上磁刺激在神经肌肉功能恢复的作用等做了全面介绍。

中图分类号：R741.044；R319文献标识码：A

文章编号：1002-0837(2000)03-0221-05

Progress of Clinical Application of High Intensity Magnetic Impulse Stimulation

LIU Hong-guang，ZHOU Lin，JIANG Da-zong

Abstract：The application of non-invasive magnetic impulse stimulation in the study of central neurons activities and recovery of neuro-muscular functions is now becoming a new hot subject in bio-medical engineering researches. In this paper, its physical principles, characteristics, practical applications and recent development were reviewed comprehensively.

Key words：central nervous system;noninvasive measurement;neuromuscular stimulation;magnetic stimulation;rehabilitation

在外界用时变 (time-varying)的电磁场以无创的方式可以对人体可兴奋细胞进行刺激。这种刺激可直接驱动电流进入组织，对组织直接刺激（电刺激）或用电磁诱发的方式（磁刺激）实施。一个磁通量迅速变化的磁场，在所经过的组织可诱发一个电场。如果强度和延迟可调，那么诱发的电场会引起生物电流在组织中传导，进而会使得神经纤维、神经元和肌肉去极化。近十年来，磁（magnetic）刺激或非电极电刺激(electrodeless electrical stimulation)在脑神经方面的研究是一个研究热点。磁刺激技术将为人类实现对某些脑生理活动的人为调控、探索脑疾病的诊断及治疗提供新的手段^［1］。在临床上，磁刺激可应用于研究大脑皮层神经分布、检测多发性硬化病患者的中枢神经传导延迟以及退化性运动失调，也可用来检测外周神经传导速度，监测中枢神经系统机能状态。

磁脉冲刺激的原理

根据电磁感应原理，一个随时间变化的均匀磁场B在它所通过的空间内产生相应的感应电场E，而与该空间的电导率无关。在该空间中沿任意闭合圆周（设圆周半径为r）上的感应电势ε为^［2］：其中，S是圆周面积，是磁场变化率，则电场强度E为圆周上总电势除以圆周周长：式中r是圆周半径，为矢量。如果该圆周上有导电的介质，便会形成感生电流（涡电流）。假设圆周上具有均匀导电的生物组织，则生物组织内产生的感生电流可表示为：J=其中σ是生物组织电导率。当感生电流值超过神经组织兴奋阈值时，便会象电刺激一样达到刺激相应部位神经组织的效果。

圆形线圈与刺激强度分布^［3］进行脑神经刺激研究，应首先研究线圈放电时线圈耦合人脑内的时变磁场及相应的感应电场的分布特性，及其与磁刺激线圈、磁刺激器的电参数的关系，这样才能有针对性的设计线圈及进行刺激，使之有选择性地在被刺激部位产生适当的感应电场，引起脑神经兴奋。空间任何一点的感应电场是沿着励磁线圈回路各电流元在该点产生感应电场迭加的结果，因此空间感应电场的分布与线圈形状及相对该点位置有关，不同结构、在空间不同位置产生不同磁场，进而形成不同的空间感应电场分布。进行脑部神经刺激时，应使被刺激点产生超过神经组织兴奋阈值的电场强度，而非靶组织位置的感应电场尽量少，以减小其他神经受刺激的可能。设计线圈的目标是使感应电场聚焦性好，提高磁刺激神经的选择性。空间磁场分布在对应线圈边缘与中心之间区域幅值最大，边缘外反向；感应电场分布在对应线圈边缘幅值最大；在紧贴线圈的表面处感生电流分布随线圈形状，由于磁力线相互抵消的结果，随着与线圈距离增大感应电流分布趋向于圆形线圈的分布^［2］。圆形线圈的优势在于易制造，方便身体多部位使用，并且在线圈平均直径圆周的切线方向具有最大的感生电流幅值，位于线圈平均直径圆周的切线方向的神经容易被刺激。但是圆形线圈刺激范围大，进行刺激时会造成大面积非靶组织受刺激而兴奋，减小线圈尺寸能提高聚焦性。

线圈的作用深度感应电场值在线圈表面处的磁刺激线圈，离线圈的垂直距离越大，感应电场值衰减越多。使用半径50 mm的圆形线圈，放电电流变化率为100 A/μs时，在头皮表面以下感应电场的幅值随深度变化表明，头皮表面处感生电场幅值为104 V/m，10 mm处下降了38%，感生电场幅值为65 V/m 。磁刺激线圈的作用深度与线圈半径密度相关，Barker等^［2］认为由于空间某点感应电场值是线圈回路各电流元在该点产生感应电场值迭加的结果，所以在相同激励电流、相同距离下，感应电场与线圈的电流元积分路径（周长）基本成正比，因而直径大的线圈作用深度深，直径小的线圈作用域浅。另外，放电电流流过线圈产生的磁场随距离增大而更加发散，线圈的感应电场分布曲线随距离增大过零点加宽，聚焦能力降低，并且感应电场负峰值增高，负峰引起副作用刺激几率增大。磁感应电场穿透头部组织时的衰减相比由表面电极电刺激产生的在表面电场值相同的情况下，40 mm深处磁感应电场值比表面电刺激产生电场值大10倍，因而磁刺激不仅能刺激浅表神经，更可以用于脑部神经、中枢神经和较深部位的外周神经的刺激。

线圈放置方向在对神经组织进行磁刺激时，线圈的放置要考虑受刺激神经的走向，受刺激位置并不等于神经兴奋的位置。Barker在1987年曾经提出磁刺激位置发生在感应电场最大值处，但是Roth、Basser等在1990年随之提出长轴神经的兴奋位置发生在沿神经轴向电场梯度最大值处。目前脑神经刺激兴奋位置还没有确切答案^［4］。刺激的位置一般约为一个与线圈平行的圆圈范围，而实际应用上，如果说线圈圆圈的切线垂直到想要刺激的神经上，就可以得到良好的效果，这时导入电流方向是离开神经的。为避免刺激范围扩大，可使线圈平面垂直于体表，而线圈的边沿置于所要刺激的神经上，但这样就大大减弱了刺激强度^［5］。

外周磁刺激的应用临床上对外周神经系统的电刺激疗效已有许多的报道^［6］，而外周磁刺激（PMS：peripheral magnetic stimulation）的应用直到目前为止也只有极少数的报道。虽然透过脑的磁刺激（TMS：transcranial magnetic brain stimulation）在脑研究和临床神经生理学中已取得了可喜的成绩，但目前所用的外周神经磁刺激设备的康复性能与可控制程度尚不理想，主要是由于线圈聚焦能力和兴奋程度控制能力达不到理论研究的水平，要使磁刺激的聚焦点集中在所要激活的点上和要获得最大的运动反应是很困难的，所以在某些方面阻碍了功能性磁刺激应用的进一步增长。然而，已经有了新的处理技术，使得外周磁刺激的独特应用变得有效^［7］。最明显的有目前提出多信道、多线圈、多电极等方法对恢复动作和治疗神经肌肉系统疾病的功能性磁刺激（FMS：functional magnetic stimulation）设想，它是完全无创性的，不需要将电流直接与患者接触，这一设想在临床治疗上应用具有很广阔的前景^［8～11］。

多信道磁刺激对电刺激的模拟在理论上Jarmo Ruohonen^［12］检验了多信道磁刺激（MMS：multichannel magnetic stimulation）模拟由单电极和双电极刺激诱发的激活功能，发现多信道磁刺激可用在产生相同于单电极和双电极刺激诱发的激活功能，至少是小体积线圈时是这样，这只限于圆柱形表面。磁和电刺激的深度穿透特性是不同的，即使用很小的线圈也是一样。如磁刺激不能刺激位于同类圆柱形中心的神经^［13］，而电刺激可以做到这一点。电和磁刺激之间还存在着其它一些内部差异，其中包括几何导体作用和不同的脉冲形式。用大量的小体积线圈可以模拟电刺激所实现的刺激区的形态。由于它是无创性的，所以功能性磁刺激是肌肉神经障碍患者进行治疗和恢复动作的好手段，多信道功能性磁刺激在大大地改进刺激的选择性和控制能力方面也是具有它的优越性。功能性磁刺激在神经肌肉恢复的临床作用已越来越受到人们的关注。用每个线圈中输入电流的改变，使在不移动线圈列阵的条件下，改变最大兴奋性的轨迹。驱动电流最佳值的数据估算需要诱导一设定的刺激场模式，这模式对透过脑的磁刺激所采用的是最小模方估算（MNE：minimum-norm estimation）理论^［14］。

采用多电极和多线圈方法的技术优势功能性电刺激（FES：functional electrical stimulation）是利用电流以增进或恢复运动障碍患者功能的一项非常重要的技术。在进行功能性电刺激时，电流通过植入或经过表皮的电极而起作用。复合性功能电刺激（multiple FES）的电极使用可使电刺激的选择性得到改进，如三电极刺激比双电极刺激能提供更准确的部位^［15］。电极数量的增加可使选择性得到改进。特别是三电