經(jīng)顱磁刺激引導(dǎo)源的設(shè)計

1、引言

神經(jīng)及精神醫(yī)學(xué)所設(shè)計的領(lǐng)域十分廣泛，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物工程學(xué)研究的重要方向之一，其范圍涵蓋大腦及精神認(rèn)知機理、腦功能檢查、腦功能的調(diào)控與重建、腦和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷、治療與康復(fù)等諸多方向，有著廣闊的發(fā)展前景?？茖W(xué)技術(shù)的進步推動了醫(yī)療器材的革新，一方面方便了醫(yī)生，另一方面極大地為患者減輕了痛苦。經(jīng)顱磁刺激能夠改變皮質(zhì)興奮性，是一種無電極刺激形式，它是利用激勵線圈產(chǎn)生時變磁場在目標(biāo)組織中感應(yīng)出電流，達到刺激可興奮組織的目的。與傳統(tǒng)電針刺激方式相比，磁刺激技術(shù)具有無痛，無損傷，對人體安全好且療效確切等優(yōu)點，在神經(jīng)和精神科學(xué)研究和臨床治療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。TMS將為人類實現(xiàn)對某些腦生理活動的人為調(diào)控，探索腦疾患的診斷、治療方法提供一種新的思路解決方案。

本文介紹經(jīng)顱磁刺激引導(dǎo)源的設(shè)計要點，根據(jù)系統(tǒng)的要求，供電電壓為32V直流電，主次電感均為600uH，工作頻率為10Hz，可瞬間產(chǎn)生大約100A的電流。

2、引導(dǎo)源實現(xiàn)方案

引導(dǎo)源實現(xiàn)框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)包括一個高穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源，兩只半導(dǎo)體開關(guān)，低溫漂儲能電容器C，一個低阻值負(fù)載R，兩個大感抗低阻值的電感線圈，其中L1是主線圈，L2是副線圈。

在電源準(zhǔn)備狀態(tài)，直流電源給儲能電容C充電到額定值。當(dāng)觸發(fā)指令到時，半導(dǎo)體開關(guān)K2導(dǎo)通。

電容C通過K2給負(fù)載放電。整個回路是一個標(biāo)準(zhǔn)的RLC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，且工作在欠阻尼狀態(tài)，放電電流波形近似為半正弦波，脈沖底寬約為 。

圖1 引導(dǎo)源原理圖和能量回授電路

實際應(yīng)用過程中，在儲能電容C上再并接一個線圈、二極管網(wǎng)絡(luò)，以便在電容C上電壓反向后，再建立起一個輔助諧振電路，使電容C上電壓又回到正值，如果回路中各個元件均為理想元件（電阻不計），則電容器C上電壓又會回到 ，從而達到能量回授的目的。

3、回路在一個重復(fù)周期內(nèi)電壓、電流的分析

在觸發(fā)脈沖到來后，根據(jù)K2和V1導(dǎo)通與否而分為3個階段。

這一階段是標(biāo)準(zhǔn)LC放電回路。此間，K2導(dǎo)通，V1截止。

式中

當(dāng)時，，

當(dāng)電容上電壓經(jīng)過零點變負(fù)時，V1導(dǎo)通，輔助回路工作，兩個回路均有電流流過，L2對電容進行反向充電，電容C兩端的電壓反向，在 時刻電容兩端的電壓達到反向最大電壓。

式中

在以后，由于K2承受反向電壓而關(guān)斷，主回路停止工作，輔助諧振回路由于V1的截止作用，電路進入半周期諧振狀態(tài)，如圖2（b）所示。

經(jīng)過一個完整的電路工作周期分析可知，電容C上的電壓由于輔助回路最終恢復(fù)為正，在回路理想的情況下，這一電壓與初始值一致。事實上回路總有電阻，肯定要有能量損耗。經(jīng)過一個工作周期后這一電壓大約跌落至起始值的70%左右。

4、系統(tǒng)仿真及實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)實現(xiàn)之前，用Multisim軟件分別對充放電控制電路和系統(tǒng)進行仿真，其仿真的結(jié)果如圖2所示。

（a） 　　　　　　（b）

圖2 仿真波形

圖2（a）上面的脈沖為控制充電脈沖，下面的是控制放電脈沖，當(dāng)脈沖為高電平時半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通。為了保證充電充分，在充電完畢后等待一段時間再放電。充電的時間為20ms，放電的時間大約為3ms，充放電間隔也為3ms。在實際實現(xiàn)過程中充電時間的長短還得由電源與儲能電容的大小決定。

4.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

為了減小充電時對穩(wěn)壓電源的壓力，與穩(wěn)壓電源并接一大電容C2，使電源簡接給電容充電；為了更為有效地充放電，利用電容一等效結(jié)構(gòu)；功率場效應(yīng)晶體管和可關(guān)斷晶閘管分別作為開關(guān)K1和K2。

圖3 引導(dǎo)源實現(xiàn)電路

功率場效應(yīng)晶體管是壓控型器件，它具有開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動電流小、無二次擊穿現(xiàn)象等優(yōu)點[5]。其門極控制信號是電壓，它的三個極分別是柵極G，源極S，漏極D。當(dāng) 達到額定值時，功率場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，否則關(guān)斷?？申P(guān)斷晶閘管具有耐壓高、電流大、承受沖擊能力強和造價低等優(yōu)點，同時，它又可用門極信號控制其導(dǎo)通或關(guān)斷?？申P(guān)斷晶閘管的工作原理可以用兩個條件來加以說明，一個是導(dǎo)通條件，一個是關(guān)斷條件。導(dǎo)通條件是指晶閘管從阻斷到導(dǎo)通所需的條件。這個條件是晶閘管的陽極加上正向電壓，同時在門極加上正向電壓。關(guān)斷條件是指晶閘管從導(dǎo)通到阻斷的條件。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極對晶閘管就不起控制作用。關(guān)斷條件要求流過晶閘管中的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需的電流，即維持電流。通常當(dāng)晶閘管的陽極已加上了正電壓并導(dǎo)通的情況下，要減少晶閘管中的電流有二種辦法。一種辦法是降低電壓；另一種辦法是增大晶閘管回路的串聯(lián)電阻[6]。如圖3所示，K為晶閘管陽極，G1為控制極，當(dāng)正向電壓加到K與G1兩端時，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通；正向電壓消失后，晶閘管被控制關(guān)斷。

為了減小強電對弱電的影響，采用光電耦合器件和由555觸發(fā)器、變壓器構(gòu)成的隔離電源；實現(xiàn)過程中，利用穩(wěn)壓直流電源產(chǎn)生32V直流電壓；利用信號發(fā)生器產(chǎn)生幅值為5V，頻率為10Hz的控制充電脈沖；利用74LS123芯片控制充放電間隔和放電時間的長短；電阻R取0.1ohm，線圈L1和L2的電阻值要非常小，這樣線圈消耗的能量可忽略不計。圖4分別是兩個開關(guān)的控制電路。

5　實驗結(jié)果

（a）

（b）

圖4 開關(guān)控制電路

圖5（a）是線圈L1兩端的電壓波形，每格代表5V，充電完畢后電容器C兩端的電壓為32V。通過對比仿真波形，得出結(jié)論此系統(tǒng)是可以實現(xiàn)的。圖5（b）是流過電阻R兩端的電壓，每格代表2V，由此可推斷流過R的電流大約為100A，短時間內(nèi)產(chǎn)生這樣大的電流必然會引起線圈L1內(nèi)磁場的驟然增加，利用線圈L1產(chǎn)生時變磁場在目標(biāo)組織中感應(yīng)出電流，達到對人體進行磁刺激治療的目的。

（a） 　　　　　　?。╞）

圖5 測試結(jié)果

6、結(jié)束語

磁刺激儀發(fā)展滯后于應(yīng)用研究，與第一臺磁刺激儀相比，現(xiàn)在的磁刺激儀基本上沒有很大變化。其主要問題在于磁刺激激勵線圈聚焦性能，表現(xiàn)在磁刺激結(jié)果重復(fù)性差，不能精確刺激選擇解剖位置。TMS的進一步發(fā)展仍有待于磁刺激技術(shù)本身的完善，研制出新的或改進現(xiàn)有的磁刺激系統(tǒng)。

引導(dǎo)源作為磁刺激儀中的關(guān)鍵部件，其設(shè)計指標(biāo)的好壞直接影響到磁刺激儀的治療效果，在越短的時間內(nèi)產(chǎn)生越大的電流是整個系統(tǒng)的設(shè)計宗旨。這樣設(shè)計可使磁刺激激勵線圈聚焦性能有較大的提高，增強了對被刺激神經(jīng)的選擇性和定位性能，具備很強的工程可實現(xiàn)性。

參考文獻

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[3] 2SK1522.HITACHI.1999.

[4] 74LS123.Fairchild Semiconductor.2000.

[5] 蘇開才，毛宗源?，F(xiàn)代功率電子技術(shù)。北京：國防工業(yè)出版社。1995.

[6] 余永權(quán)，李小青，陳林康。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口設(shè)計。北京：北京航空航天大學(xué)出版社。1992.

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