《Bioengineering》：Advancements in Clinical Applications of Transcranial Magnetic Stimulation Using Different Coil Configurations: A Review
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经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）的效应由线圈几何结构、颅内电场分布、刺激靶点和脉冲参数共同决定，其中线圈设计直接主导刺激深度、空间聚焦性和脑组织覆盖范围。本综述比较了圆形线圈、八字形线圈（figure-
经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）的效应由线圈几何结构、颅内电场分布、刺激靶点和脉冲参数共同决定，其中线圈设计直接主导刺激深度、空间聚焦性和脑组织覆盖范围。本综述比较了圆形线圈、八字形线圈（figure-of-eight coil）、双锥线圈（double-cone coil）和H型线圈（H-coil）在几何结构、电场分布、有效深度、聚焦性及当前临床应用方面的差异。八字形线圈提供较高的浅表聚焦性，适用于解剖学上明确的皮层靶点，如背外侧前额叶皮层（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）、初级运动皮层（primary motor cortex, M1）和辅助运动区（supplementary motor area, SMA）。双锥线圈和H型线圈将有效电场覆盖范围扩展至内侧和相对深部的神经网络，但降低了空间选择性，体现了深度-聚焦性权衡（depth–focality trade-off）。不同疾病的临床证据成熟度存在差异。常规重复经颅磁刺激（repetitive TMS, rTMS）、间歇性θ爆发刺激（intermittent theta-burst stimulation, iTBS）和H1线圈深部经颅磁刺激（deep TMS, dTMS）在抑郁症方面具有相对成熟的证据，而卒中和偏头痛在靶点选择、剂量和患者筛选方面仍存在异质性。关键挑战在于匹配个体化的颅内电场剂量、疾病网络靶点、脉冲序列和脑状态。本研究为相关领域的研究人员及从事神经精神疾病临床管理的专业人士提供了有价值的指导。
1. 引言
经颅磁刺激是一种非侵入性神经调控技术，通过快速变化的磁场穿过头皮和颅骨，在大脑组织中感应出电场，从而调节皮层兴奋性和神经网络活动。自1985年Barker等人首次实现人运动皮层的无创磁刺激以来，TMS已从实验性技术发展为兼具脑功能研究和临床干预价值的神经调控平台。TMS的空间和生物学效应不仅取决于刺激频率或刺激器输出，还强烈依赖于线圈几何结构、颅内感应电场的幅度和方向、线圈到皮层的距离、有效深度和空间聚焦性。不同的线圈构型决定了磁场在空间中的叠加方式，从而影响达到有效刺激阈值的脑组织体积。TMS线圈设计面临一个基本的工程约束——深度-聚焦性权衡。此外，个体解剖因素也会改变靶点的电场幅度、方向和峰值位置。本综述系统比较了代表性的圆形、八字形、双锥和H型线圈，重点阐述线圈几何结构如何影响颅内电场幅度、空间分布、有效深度和聚焦性，并将线圈特定的场分布与刺激靶点、脉冲序列和疾病相关神经网络联系起来，旨在阐明当前TMS线圈设计的工程基础和实践边界。
2. 经颅磁刺激的历史发展
现代TMS的发展通常追溯到1985年Barker等人成功实现人运动皮层的非侵入性刺激。早期TMS系统主要使用圆形线圈，感应电场覆盖广泛但聚焦性有限。1988年Ueno等人引入八字形线圈，其相邻两个绕组的感应电场在交汇处叠加，产生更集中的浅表热点，显著提高了空间分辨率。此后，TMS从单脉冲神经生理测试扩展到皮层兴奋性调节和临床治疗。2005年Huang等人引入θ爆发刺激，拓宽了时间设计空间。同时，线圈设计从浅表聚焦刺激向更深层、更分布式神经网络的调控发展。2008年美国食品药品监督管理局批准特定TMS设备用于治疗抵抗性重度抑郁障碍。近年来，结构性和功能性磁共振成像、神经导航、个体化电场建模和加速方案推动了从基于头皮标志的经验性刺激向个体化、网络导向和定量给药的神经调控转变。
3. 经颅磁刺激的物理原理
TMS的物理基础是法拉第电磁感应定律。当快速变化的电流脉冲流经刺激线圈时，会产生瞬变磁场，该磁场以较小衰减穿过颅骨并在脑组织中感应出电场。在脑容积导体中，感应电场驱动离子定向运动并产生局部电流。当局部场强足够大时，可改变神经元膜电位并诱发动作电位。颅内感应电场可概念性地分为一次场和二次场。一次场由时变磁场直接产生，受线圈几何结构和电流特性支配；二次场主要源于不同电导率组织界面的电荷积累。除了空间场分布，时间脉冲模式也是神经调控的主要决定因素。高频重复经颅磁刺激通常倾向于促进皮层兴奋性，低频则更多发挥抑制作用。θ爆发刺激结合高频脉冲串和低频节律，可在更短时间内诱导可塑性。因此，线圈几何结构决定电场的空间分布，刺激参数决定时间剂量，个体大脑结构和功能状态决定最终的神经反应。
4. 常规经颅磁刺激的临床应用
4.1 常规二维线圈设计
4.1.1 圆形线圈：圆形线圈通常包含单一轴对称圆形绕组，产生的环形感应电场在几何中心附近形成低场区，最大刺激区域呈环状。其半极大值扩散面积约34 cm2，半值深度约1.0-3.5 cm，具有广覆盖、低聚焦性的电磁特征。随着TMS转向靶向神经调控，圆形线圈逐渐被更聚焦的八字形线圈取代，但其宽覆盖和对定位误差的容忍性仍在评估中枢运动传导时间和外周神经传导方面具有价值。
4.1.2 八字形线圈：由两个相邻圆形绕组构成，电流方向相反，感应电场在中央交汇处叠加形成局部高强度场。在理想均匀模型中，最大场通常位于两绕组交汇处下方；但在真实头颅中，脑回和脑沟形态、组织电导率、头部曲率和线圈位置可能使场最大值偏离几何中心。八字形线圈的主要优势是高浅表聚焦性，但有效深度相对有限，特别适用于解剖学明确的浅表靶点如DLPFC、M1和SMA。
4.2 常规经颅磁刺激的临床疗效
4.2.1 重度抑郁障碍：常规TMS最常使用八字形线圈刺激DLPFC。代表性方案包括左侧DLPFC 10 Hz rTMS、右侧DLPFC低频rTMS、序贯双侧刺激和左侧DLPFC iTBS。10 Hz左侧DLPFC rTMS的大规模多中心随机对照试验显示活性刺激优于假刺激。iTBS在2018年的多中心非劣效性THREE-D试验中被证明不劣于标准10 Hz rTMS，同时将每次治疗时间从约37.5分钟缩短至约3分钟。加速和个体化刺激方法如斯坦福加速智能神经调控疗法利用功能连接性选择个体化左侧DLPFC靶点，早期研究报告了快速和高应答率，但样本量有限。
4.2.2 卒中后运动恢复与半球间抑制网络：卒中后运动恢复涉及双侧大脑半球间的网络重组。基于半球间失衡模型，两种主要策略包括对病灶对侧M1进行低频rTMS或连续θ爆发刺激以降低其异常经胼胝体抑制，以及对病灶同侧M1进行高频rTMS或iTBS以增强受累皮层募集。然而该模型并非适用于所有患者，运动诱发电位状态、皮质脊髓束完整性、病变位置和卒中阶段可能比固定的抑制/易化规则更有助于分层。临床研究表明这些方案可能改善Fugl-Meyer评分等指标，但证据因样本量和患者异质性而受限。
4.2.3 偏头痛：TMS在偏头痛中有两条治疗路径：急性发作期使用枕部单脉冲TMS，预防性治疗最常使用八字形线圈刺激左侧M1或DLPFC。高频rTMS可能减少偏头痛负担，但不同靶点和方案的结果存在差异。目前挑战在于确定哪些患者亚型、靶点和标准化参数最为合适，标准化程度不如重度抑郁障碍成熟。
4.2.4 帕金森病：临床TMS研究最常使用八字形线圈靶向M1、SMA或DLPFC。高频M1 rTMS对运动症状的改善信号较为一致，特别是对运动迟缓和僵直。SMA刺激更多针对运动启动障碍和冻结步态，但最佳调制方向尚不确定。DLPFC刺激主要用于共病抑郁症状。TMS在帕金森病中最好作为药物和运动康复的辅助手段，而非替代左旋多巴或脑深部电刺激。
4.2.5 创伤后应激障碍：常规TMS一般使用八字形线圈刺激DLPFC，利用高浅表聚焦性调节前额叶对情绪、威胁监测和认知控制网络的影响。三种主要策略包括右侧DLPFC 1 Hz低频rTMS、右侧/左侧/双侧DLPFC高频rTMS和右侧DLPFC iTBS。结果在不同方案间存在差异，一项2024年Cochrane评价认为现有rTMS研究的数量和规模有限，整体减轻创伤后应激障碍严重程度的疗效仍不确定。
5. 深部经颅磁刺激的临床应用
5.1 深部线圈设计
5.1.1 双锥线圈：双锥线圈将两个大型圆形绕组以一定角度放置，使其更贴合头部曲率并改变两翼产生电场的空间叠加。传统双锥线圈夹角约95°，这种角度结构既改善了与弧形头表面的贴合度，又改变了场矢量叠加方式，将有效中心场延伸至更深的组织。计算模型和实验研究表明其有效刺激深度可达约3-4 cm，适合较深或中线靶点如下肢运动皮层和内侧运动区。
5.1.2 H型线圈：H型线圈采用多层分布式绕组，通过调整多个导体元件的位置、方向和空间排列，使其感应电场在目标区域按定义的模式叠加。建模研究表明H型线圈可在较深位置产生非零电场，但在常用安全强度下，直接超阈值激活的深度通常约为3 cm。H1线圈产生宽前额叶场并具有一定左侧优势，主要用于重度抑郁障碍；H4线圈强调双侧前额叶和岛叶相关网络，主要用于尼古丁依赖干预；H7线圈强调内侧前额叶和前扣带回，用于调节强迫症相关的皮层-纹状体-丘脑-皮层回路。
5.2 深部经颅磁刺激的临床转化
5.2.1 重度抑郁障碍：H1线圈深部经颅磁刺激是证据最强的深部刺激方法，典型参数为18 Hz、120%静息运动阈值、每次1980个脉冲，每周五次持续约四周。Levkovitz等人的多中心随机双盲假对照试验显示H1深部经颅磁刺激在符合方案分析中改善抑郁症状优于假刺激。H7线圈提供了另一种侧重内侧前额叶-前扣带回网络的方案。
5.2.2 强迫症：最具代表性的强迫症方案使用H7线圈覆盖双侧内侧前额叶/背内侧前额叶和前扣带回，每次治疗前进行简短个体化症状诱发。标准高频方案为20 Hz、100%下肢静息运动阈值，每次2000个脉冲，约29次治疗。Carmi等人的多中心随机双盲假对照试验显示活性治疗在耶鲁-布朗强迫量表评分上改善更大，应答率为38.1%对11.1%。
5.2.3 物质成瘾：尼古丁依赖：H4/HADD线圈是覆盖双侧前额叶和岛叶相关成瘾网络的代表构型。常用方案为10 Hz、120%运动阈值、每次1800个脉冲。Dinur-Klein等人的早期研究和Zangen等人的多中心试验支持短期持续戒断的改善，但Bellini等人的独立阴性结果显示疗效可能依赖于依从性和行为支持强度等因素。
5.2.4 创伤后应激障碍的靶向神经调控：深部经颅磁刺激研究使用H1或H7线圈扩大前额叶和内侧前额叶/前扣带回相关网络的电场覆盖。Isserles等人的H1初步研究显示了改善信号，但随后的多中心H7试验未显示活性刺激优于假刺激。当前证据不支持更宽更深的网络覆盖必然产生更大临床获益的简单假设。
6. 经颅磁刺激的安全性
临床研究普遍表明TMS安全且耐受良好。大多数不良事件轻微且短暂，包括头痛、头皮或局部刺激不适、面部或下颌肌肉收缩、疲劳和短暂头晕。癫痫虽不常见但仍是最重要的严重急性风险，与频率、强度、脉冲剂量和个体易感性有关。治疗前评估应系统排查既往癫痫史、颅内病变、近期脑损伤、用药情况及头部金属或电子植入物。安全管理应贯穿整个疗程，在高频rTMS、θ爆发刺激、深部经颅磁刺激和加速方案之间不应直接外推安全参数。
7. 结论与讨论
TMS的生物学效应由线圈几何结构、颅内感应电场、靶点选择、时间脉冲结构和个体大脑解剖及功能状态共同决定。线圈设计经历了从圆形到八字形再到双锥和H型线圈的演变，始终在刺激深度、空间聚焦性和有效网络覆盖之间寻求平衡。重度抑郁障碍是研究最充分的适应症之一，而卒中后运动恢复、偏头痛、帕金森病、尼古丁依赖和创伤后应激障碍的治疗信号仍存在异质性。未来TMS发展应从单纯追求最大深度或聚焦性转向线圈构型、颅内电场、疾病网络、脉冲序列和个体脑状态的系统性匹配。关键在于能否使线圈的电场以适当空间范围和剂量覆盖疾病相关网络，并产生临床有意义、可重复的神经调控效果。
