經(jīng)顱磁刺激引導(dǎo)源的設(shè)計(jì)

1、引言

神經(jīng)及精神醫(yī)學(xué)所設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)步推動(dòng)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(wú)電極刺激形式，它是利用激勵(lì)線圈產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)在目標(biāo)組織中感應(yīng)出電流，達(dá)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(wú)痛，無(wú)損傷，對(duì)人體安全好且療效確切等優(yōu)點(diǎn)，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(lèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)某些腦生理活動(dòng)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(jì)要點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)方案

引導(dǎo)源實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)高穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源，兩只半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，低溫漂儲(chǔ)能電容器C，一個(gè)低阻值負(fù)載R，兩個(gè)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(chǔ)能電容C充電到額定值。當(dāng)觸發(fā)指令到時(shí)，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)K2導(dǎo)通。

電容C通過(guò)K2給負(fù)載放電。整個(gè)回路是一個(gè)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，在儲(chǔ)能電容C上再并接一個(gè)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(gè)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(gè)元件均為理想元件（電阻不計(jì)），則電容器C上電壓又會(huì)回到 ，從而達(dá)到能量回授的目的。

3、回路在一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)電壓、電流的分析

在觸發(fā)脈沖到來(lái)后，根據(jù)K2和V1導(dǎo)通與否而分為3個(gè)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(shí)，，

當(dāng)電容上電壓經(jīng)過(guò)零點(diǎn)變負(fù)時(shí)，V1導(dǎo)通，輔助回路工作，兩個(gè)回路均有電流流過(guò)，L2對(duì)電容進(jìn)行反向充電，電容C兩端的電壓反向，在 時(shí)刻電容兩端的電壓達(dá)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(jìn)入半周期諧振狀態(tài)，如圖2（b）所示。

經(jīng)過(guò)一個(gè)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(shí)上回路總有電阻，肯定要有能量損耗。經(jīng)過(guò)一個(gè)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(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之前，用Multisim軟件分別對(duì)充放電控制電路和系統(tǒng)進(jìn)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(shí)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。為了保證充電充分，在充電完畢后等待一段時(shí)間再放電。充電的時(shí)間為20ms，放電的時(shí)間大約為3ms，充放電間隔也為3ms。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中充電時(shí)間的長(zhǎng)短還得由電源與儲(chǔ)能電容的大小決定。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了減小充電時(shí)對(duì)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(jiǎn)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(chǎng)效應(yīng)晶體管和可關(guān)斷晶閘管分別作為開(kāi)關(guān)K1和K2。

圖3 引導(dǎo)源實(shí)現(xiàn)電路

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管是壓控型器件，它具有開(kāi)關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)電流小、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)[5]。其門(mén)極控制信號(hào)是電壓，它的三個(gè)極分別是柵極G，源極S，漏極D。當(dāng) 達(dá)到額定值時(shí)，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，否則關(guān)斷。可關(guān)斷晶閘管具有耐壓高、電流大、承受沖擊能力強(qiáng)和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，它又可用門(mén)極信號(hào)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(gè)條件來(lái)加以說(shuō)明，一個(gè)是導(dǎo)通條件，一個(gè)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(gè)條件是晶閘管的陽(yáng)極加上正向電壓，同時(shí)在門(mén)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(mén)極對(duì)晶閘管就不起控制作用。關(guān)斷條件要求流過(guò)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(yáng)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(yáng)極，G1為控制極，當(dāng)正向電壓加到K與G1兩端時(shí)，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(qiáng)電對(duì)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(shí)現(xiàn)過(guò)程中，利用穩(wěn)壓直流電源產(chǎn)生32V直流電壓；利用信號(hào)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(shí)間的長(zhǎng)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(jì)。圖4分別是兩個(gè)開(kāi)關(guān)的控制電路。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（a）

（b）

圖4 開(kāi)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(guò)對(duì)比仿真波形，得出結(jié)論此系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的。圖5（b）是流過(guò)電阻R兩端的電壓，每格代表2V，由此可推斷流過(guò)R的電流大約為100A，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生這樣大的電流必然會(huì)引起線圈L1內(nèi)磁場(chǎng)的驟然增加，利用線圈L1產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)在目標(biāo)組織中感應(yīng)出電流，達(dá)到對(duì)人體進(jìn)行磁刺激治療的目的。

（a） 　　　　　　?。╞）

圖5 測(cè)試結(jié)果

6、結(jié)束語(yǔ)

磁刺激儀發(fā)展滯后于應(yīng)用研究，與第一臺(tái)磁刺激儀相比，現(xiàn)在的磁刺激儀基本上沒(méi)有很大變化。其主要問(wèn)題在于磁刺激激勵(lì)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)生越大的電流是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)宗旨。這樣設(shè)計(jì)可使磁刺激激勵(lì)線圈聚焦性能有較大的提高，增強(qiáng)了對(duì)被刺激神經(jīng)的選擇性和定位性能，具備很強(qiáng)的工程可實(shí)現(xiàn)性。

參考文獻(xiàn)

[1] Terao Y, Ugawa Y. Basic mechanisms of TMS.J Clin Neurophysiol, 2002,19:322-343.

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[4] 74LS123.Fairchild Semiconductor.2000.

[5] 蘇開(kāi)才，毛宗源。現(xiàn)代功率電子技術(shù)。北京：國(guó)防工業(yè)出版社。1995.

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

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