tACS-rTMS联合调控系统工程化落地的关键在哪里？

tACS-rTMS联合治疗电磁干扰概述

tACS-rTMS联合治疗通过将重复经颅磁刺激脉冲相位锁定在经颅交流电刺激的特定相位（如波峰）上，实现对神经振荡的协同调控。该联合治疗方案主要应用于神经精神疾病领域，如抑郁症、阿尔茨海默病、精神分裂症及意识障碍等，旨在通过增强或抑制特定频段的脑振荡活动来改善临床症状。然而，rTMS在工作时会产生瞬变的强脉冲磁场，该磁场会在tACS的闭合回路中感应出较大的电压尖峰，如图1(a)和图1(b)所示。这种电磁干扰不仅会严重扭曲tACS波形，还可能干扰刺激的安全性与有效性，成为联合治疗中亟需解决的核心问题。

图1 联合治疗电磁干扰抑制方法学框架

图1系统展示了本研究的整体技术路线与实验装置。其中，图1(a)为联合治疗系统的电磁干扰测量示意图，示波器连接至tACS回路终端，用于采集TMS脉冲诱发的电压尖峰；图1(b)为时序同步方案，显示rTMS脉冲精确锁定在tACS正弦波的波峰相位（精度±1 ms）；图1(c)为仿真设置，展示“8”字形线圈绕中心轴旋转（0°–165°）及检测平面在垂直/平行两种方向下的布置方式；图1(d)为电极配置与线圈位置示意图，列出了多种电极组合（如F3-FP2、T7-T8等）及TMS靶点（如DLPFC、M1等）；图1(e)定义了“关注线”及线圈初始方向（手柄垂直于关注线）；图1(f)为一阶RC低通滤波电路图（R=100Ω, C=2.2μF，截止频率723 Hz），用于滤除TMS高频干扰。该图完整勾勒了“仿真建模+实验验证+硬件优化”的多模态抑制框架

HUIYING

tACS-rTMS联合治疗系统概述

本研究构建了一套多模态电磁干扰抑制框架，主要包括以下四个子系统：

线圈方向调控：通过机器人臂精确控制“8”字形线圈的旋转角度（0°–165°），评估不同方向下磁通量与干扰电压的变化。仿真结果显示，当线圈手柄与tACS回路平面垂直（0°）时磁通量最小，如图1(c)所示；实验进一步验证，最优线圈方向因电极配置与刺激靶点而异，如在F3-FP2配置下90°方向干扰降低91.92%。

电极导线布局优化：对比“自然悬垂”与“绞线”两种导线布置方式，如图1(a)所示。绞线通过减小回路面积，有效降低磁通穿透，进而抑制干扰电压。实验表明，在F4-TP10配置下，绞线方式使干扰降低20.99%，验证了仿真中3.5 mm高度平面（模拟绞线）磁通量远低于100 mm高度平面（模拟自然悬垂）的结论，如图2(a)所示。

电极空间配置优化：实验中设置了多种电极配置（如F3-FP2、T7-T8、F3-TP9、F4-TP10等）与TMS靶点（如DLPFC、M1、AG、PC等），如图1(d)所示。通过改变电极与线圈的相对位置，利用空间隔离减少电磁场重叠。例如，F4-TP10配置下DLPFC-TMS干扰比低至0.05，远低于同靶点下F3-FP2配置的0.90，证明了电极空间布局在抑制干扰中的关键作用。

低通滤波电路设计：在tACS回路中插入一阶RC低通滤波器（R=100Ω, C=2.2μF，截止频率723Hz），如图1(f)所示。该滤波器在保留10 Hz tACS信号（衰减-0.000858 dB）的同时，对3 kHz TMS高频干扰实现-12.58 dB的显著衰减，实测中干扰信号几乎完全消除。

HUIYING

tACS-rTMS联合治疗系统如何进行干扰测量

干扰测量通过示波器（PicoScope 6402D）完成，探头连接至tACS电极导线的回路终端，实时采集TMS脉冲在tACS信号中诱发的瞬态电压尖峰，如图1(a)所示。每个实验条件下连续测量三次尖峰幅值并取平均值，定义“干扰比”为干扰电压与tACS峰峰值之比。仿真中则通过COMSOL计算磁通量，评估不同配置下的干扰趋势，如图2(a)–图2(d)所示。该测量方法实现了对干扰电压的定量评估，为各抑制策略的效果验证提供了可靠依据。

图2 不同配置下tACS回路磁通量仿真结果

图2基于COMSOL仿真，系统评估了TMS线圈产生的磁场通过tACS回路的磁通量变化。图2(a)对比了两种高度平面（3.5 mm模拟绞线，100 mm模拟自然悬垂）在12种线圈方向（0°–165°）下的磁通量，结果显示100 mm平面的磁通量显著高于3.5 mm平面（最大约一个数量级），且峰值出现在45°–90°方向，最小值在0°方向，验证了回路面积与磁通量的正相关关系。图2(b)展示了磁通量随检测平面宽度增加而单调上升，直至228 mm后趋于稳定，表明电极间距增大可增加磁通量。图2(c)和图2(d)分别展示了线圈沿y轴移动时，检测平面垂直/平行于线圈手柄的磁通量变化，垂直方向在48 mm处出现最小值，平行方向在32 mm处达到峰值，揭示了磁通量随距离变化的非单调特性。

HUIYING

临床研究

研究方法

电极配置：涵盖F3-FP2、T7-T8、F3-TP9、F4-TP10等，结合DLPFC、M1、AG、PC等TMS靶点，如图1(d)所示。

线圈方向：通过机器人臂控制线圈旋转（0°–165°），评估不同方向下的干扰变化，如图1(c)所示。

导线布置：对比“自然悬垂”与“绞线”两种方式，如图1(a)所示。

滤波设计：在tACS回路中插入RC低通滤波器，如图1(f)所示。

研究结果与详细分析

磁通仿真：如图2(a)所示，3.5 mm高度平面（模拟绞线）的磁通量显著低于100 mm高度平面（模拟自然悬垂），峰值出现在45°–90°方向，最小值出现在0°方向，验证了回路面积与磁通量的正相关关系。

干扰电压实测：如图3(b)–图3(f)所示，不同电极配置下干扰差异显著。F3-FP2下DLPFC-TMS干扰最高（IR=0.90），F4-TP10下干扰最低（IR=0.05），说明电极与线圈的空间隔离是有效抑制手段。

图3 不同电极配置下TMS诱导干扰电压实测结果

图3展示了在自然悬垂导线布置下，不同电极配置与TMS靶点组合时的干扰电压实测结果。图3(a)为典型波形，显示TMS脉冲在tACS波峰处诱发了明显的电压尖峰。图3(b)–图3(f)分别对应F3-FP2、T7-T8、F3-TP9、F4-TP10、FT7-FP2、TP7-P8六种电极配置，每个子图给出了不同TMS靶点（DLPFC、M1、AG、PC）下的干扰电压均值及标准差。结果显示，F3-FP2配置下DLPFC-TMS干扰最大（9.57±4.69 V，IR=0.90），而F4-TP10配置下同靶点干扰最小（0.81±0.32 V，IR=0.05），充分说明电极与线圈的空间隔离是抑制干扰的关键因素。

绞线优化：如表1所示，绞线方式在多数配置下降低干扰，F3-FP2下DLPFC-TMS干扰降低20.06%，F4-TP10下降低20.99%，但部分配置下干扰略有上升，说明绞线效果受几何布局影响。

线圈方向优化：如图4(a)–图4(f)所示，最优线圈方向因配置而异。F3-FP2下90°方向干扰降低91.92%，F3-TP9下150°方向降低71.96%，表明方向调控需针对性优化。

图4 不同线圈方向下的干扰电压变化曲线

图4展示了在绞线导线布置下，改变TMS线圈旋转角度（0°–165°）对干扰电压的影响，每个子图对应一种电极配置。图中横坐标为线圈方向（°），纵坐标为干扰电压（V），每条曲线代表一个TMS靶点。结果表明，最优线圈方向因电极配置与刺激靶点而异：在F3-FP2配置下，90°方向干扰最低（较0°方向降低91.92%）；在F3-TP9配置下，150°方向干扰最低（降低71.96%）；在FT7-FP2配置下，15°方向对M1、AG、PC靶点均有显著抑制效果。图4验证了线圈方向调控需针对具体配置进行个性化优化的必要性。

距离依赖性：如图5(b)所示，随电极间距增大，干扰总体下降。但当线圈直接位于电极上方时（如F3-FP2），干扰反而最大。表2进一步显示，TMS靶点远离电极时干扰比可降至0.1以下，验证了空间隔离的有效性。

图5 电极间距与线圈-回路距离对干扰的影响

图5系统分析了空间距离对电磁干扰的影响。图5(a)展示了头模上各电极对之间的实测距离，范围从F3-FP2的11.90 cm到T7-T8的27.50 cm。图5(b)显示在TMS线圈固定于DLPFC时，干扰电压随电极间距增大总体呈下降趋势，但F3-FP2（间距最小）干扰反而最大，说明线圈是否位于电极正上方比单纯间距更为关键。图5(c)–图5(f)分别对应四种电极配置，展示了TMS靶点从DLPFC逐步移至M1、AG、PC时干扰电压的衰减趋势。结果表明，当TMS靶点远离电极时，干扰比可降至0.1以下，验证了空间隔离在抑制干扰中的核心作用。

滤波效果：低通滤波器在保留tACS信号的同时有效抑制高频干扰，实测中干扰信号几乎不可见（如图S5所示），验证了其在联合治疗中的实用性。

总结

本研究系统揭示了tACS-rTMS联合治疗中电磁干扰的关键影响因素，包括线圈方向、导线布局、电极空间配置与回路面积等。通过建立“仿真+实验”的双重验证平台，提出并验证了一套多模态干扰抑制框架。研究结果表明，合理的电极配置、绞线方式、线圈方向调控与低通滤波电路协同作用，可显著降低干扰电压，最高抑制比达91.92%。该框架为tACS-rTMS联合治疗在抑郁症、阿尔茨海默病等神经精神疾病中的安全有效应用提供了关键技术支撑，具有明确的临床应用前景。