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(多图) 经颅磁刺激引导源的设计

成都信息工程学院 冯亮 姚振东 刘冀成?? 2009年06月19日 ?? 收藏0

  1、引言

  神经及精神医学所设计的领域十分广泛,是现代医学与生物工程学研究的重要方向之一,其范围涵盖大脑及精神认知机理、脑功能检查、脑功能的调控与重建、脑和神经系统疾病的诊断、治疗与康复等诸多方向,有着广阔的发展前景。科学技术的进步推动了医疗器材的革新,一方面方便了医生,另一方面极大地为患者减轻了痛苦。经颅磁刺激能够改变皮质兴奋性,是一种无电极刺激形式,它是利用激励线圈产生时变磁场在目标组织中感应出电流,达到刺激可兴奋组织的目的。与传统电针刺激方式相比,磁刺激技术具有无痛,无损伤,对人体安全好且疗效确切等优点,在神经和精神科学研究和临床治疗领域得到广泛应用。TMS将为人类实现对某些脑生理活动的人为调控,探索脑疾患的诊断、治疗方法提供一种新的思路解决方案。

  本文介绍经颅磁刺激引导源的设计要点,根据系统的要求,供电电压为32V直流电,主次电感均为600uH,工作频率为10Hz,可瞬间产生大约100A的电流。

  2、引导源实现方案

  引导源实现框图如图1所示,整个系统包括一个高稳定的直流稳压电源,两只半导体开关,低温漂储能电容器C,一个低阻值负载R,两个大感抗低阻值的电感线圈,其中L1是主线圈,L2是副线圈。

引导源原理图和能量回授电路

图1 引导源原理图和能量回授电路

  在电源准备状态,直流电源给储能电容C充电到额定值。当触发指令到时,半导体开关K2导通。

  电容C通过K2给负载放电。整个回路是一个标准的RLC串联谐振网络,且工作在欠阻尼状态,放电电流波形近似为半正弦波,脉冲底宽约为公式

  实际应用过程中,在储能电容C上再并接一个线圈、二极管网络,以便在电容C上电压反向后,再建立起一个辅助谐振电路,使电容C上电压又回到正值,如果回路中各个元件均为理想元件(电阻不计),则电容器C上电压又会回到 ,从而达到能量回授的目的。

  3、回路在一个重复周期内电压、电流的分析

  在触发脉冲到来后,根据K2和V1导通与否而分为3个阶段。

公式

  这一阶段是标准LC放电回路。此间,K2导通,V1截止。

公式

  当电容上电压经过零点变负时,V1导通,辅助回路工作,两个回路均有电流流过,L2对电容进行反向充电,电容C两端的电压反向,时刻电容两端的电压达到反向最大电压。

公式

  在t=t2以后,由于K2承受反向电压而关断,主回路停止工作,辅助谐振回路由于V1的截止作用,电路进入半周期谐振状态,如图2(b)所示。

  经过一个完整的电路工作周期分析可知,电容C上的电压由于辅助回路最终恢复为正,在回路理想的情况下,这一电压与初始值一致。事实上回路总有电阻,肯定要有能量损耗。经过一个工作周期后这一电压大约跌落至起始值的70%左右。

  4、系统仿真及实现

  4.1 系统仿真

  系统实现之前,用Multisim软件分别对充放电控制电路和系统进行仿真,其仿真的结果如图2所示。

仿真波形

图2 仿真波形

  图2(a)上面的脉冲为控制充电脉冲,下面的是控制放电脉冲,当脉冲为高电平时半导体开关导通。为了保证充电充分,在充电完毕后等待一段时间再放电。充电的时间为20ms,放电的时间大约为3ms,充放电间隔也为3ms。在实际实现过程中充电时间的长短还得由电源与储能电容的大小决定。


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经颅磁刺激? 引导源? 精神医学? 压控型器件?

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