基于脉冲小电流的经颅磁刺激电路设计

杨 乐, 刘冀成, 谭伟强

(成都信息工程学院电子工程学院,四川成都610225)

0 引言

19世纪80年代,Barker等人发现将通以电流的线圈置于大脑皮层上,能观察到手部肌肉的抽动,并且记录到了运动皮层诱发电位(Motor Evoked Potentials,MEPs)。这种方法被称为经颅磁刺激技术(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)[1-2]。时至今日,TMS并且以其无痛、无创、非侵入式的治疗方法而被广泛应用。并且通常被用作研究人体大脑皮层对视觉,语言和运动功能的影响,尤其在对于精神疾病的治疗中起了很大作用[3]。TMS是利用电感进行能量转化,在电感中通以快速变化的强电流,能产生一个可穿过颅骨的强磁场,该磁场在大脑皮层内诱发感应电流,达到刺激神经细胞的目的。为了达到刺激相应神经组织部位的效果,磁刺激器中的线圈必须能在线圈表面产生1.5～2特斯拉(T)的磁场强度,并且能够达到在距头皮表面1.5～2cm的深度[4]。然而,传统的磁刺激治疗仪都需要使用较高的供电电压获得脉冲大电流,而治疗时线圈将置于人体大脑皮层上,这就存在潜在的安全隐患。此外,电路功耗大,生产和使用治疗仪成本较高。因此,提出的用小电流获得磁场的方法,由于其采用低压供电,利用加快电流变化率获得感应电场。通过实验可以满足产生磁场的要求。这为有效减小整体电路的功耗,降低治疗费用,提高治疗时的安全按保障提供理论基础。

1 脉冲磁场产生原理

采用圆形激励线圈,当线圈中通入直流电流时,将在线圈周围感应出磁场。根据毕奥-萨伐尔定律,取dB为由电流元所产生的磁场,在距离它处的P点的磁感应强度为:

圆形线圈在空间某点产生的磁场如图1所示。

由磁场叠加原理,在空间任意一点P(x,y,z)处,由闭合线圈产生的时变磁场为:

式中:μr为线圈的相对磁导率,μ0为真空的磁导率,其值为 μ0=4π×10-7N·A-2,则磁导率为 μrμ0,→为线圈某点P处的电流元,→为电流元指向计算点P(x,y,z)的矢量。表示P点磁矢势。

由法拉第电磁感应定理可知:一个时变磁场B在它所通过的空间内会产生感应电场E(r,t),用公式可表示为:

由于▽×(▽·φ)=0,交换▽与∂位置即可得到:

对于半无限空间可兴奋性组织,在理想刺激条件下表面电荷密度可忽略。则有:

2 电路设计

2.1 RL电路与RLC电路的对比

图1 圆形线圈产生磁场

传统的经颅磁治疗装置都采用RLC电路(如图2a),先将开关K1拨到导通位置同时断开K2,使电容器充电到电压U,然后将开关K1断开,K2连通,这时电容器开始放电,电路中电场的能量和磁场的能量相互转换,直到全部能量耗尽。当电路中R2取值较大时,电路处于过阻尼状态,电感获得的磁场能量随电路电流的下降而逐渐释放出,一起消耗在电阻上,此时电容电压是单调下降的,形成非振荡的放电过程;当R为0,电路中无能量损耗,振荡将无限制的持续下去,形成等幅震荡;当R取值较小时为欠阻尼状态,电容放电时,被电阻消耗的能量较少,大部分电场能转化为磁场能被储存在电感中,由于电阻不断消耗着能量,此时电容电压呈指数衰减的振荡过程。RLC电路要求开关K1与K2能被很好的控制并按照一定时序开断,若出现同时连通K1与K2时会造成电路类似短路状态,容易烧毁电路。

RL电路由自感为L的线圈和电阻串联而成(如图2b),当把开关K1接通,将给电感L充电。由于自感作用,电流将经历从零逐渐增大到稳定的过程,电感器中电流变化的速率取决于RL时间常数τ。当电路中电流已达到稳定值后,把开关K1关断,这是电路中只存在自感电动势,电流按指数规律下降,下降快慢也由时间常数 τ决定。因此,当改变RL电路参数时可以很好的控制线圈放电时间。而RLC电路要求电路处于欠阻尼状态以达到更高效的能量转换,故采用RL电路可避免整体电路工作在非理想状态,此外,根据公式,磁场能存储在磁场中,也使整体电路的功耗下降。

图2 RLC和RL电路

2.2 脉冲小电流TMS的电路设计

设计的脉冲小电流经颅磁刺激系统总体设计如图3所示。

通过控制开关的开断,当开关处于连通状态时,电源给电感线圈充电。电感内的电流呈指数上升状态直至电感充电达到饱和。关断开关,电感内的电流通过电阻迅速放电,由于电流的迅速变化,将在电感周围产生感应磁场。

电流下降的速度越快,产生的感应磁场强度也就越大。时间常数可由 τ=L/R计算出线圈放电时间,并灵活设定开关时间。电感线圈中的电流变化如图4所示。在 τ0到 τ1的时间段控制开关导通线圈充电。在τ1时刻电流值达到最大。τ1到τ2时间段线圈充电达到饱和。在τ2时刻,控制开关关断,线圈迅速通过放电电阻放电,吸收脉冲尖峰电路可缓解开关关断时刻波形的抖动。在这个过程中,电感线圈里的电流骤降即在其周围产生了感应磁场。τ2到 τ3时间段线圈放电完成。

图3 总体设计方案图

图4 充放电过程

控制开关的信号由STC12C5A60S2高速单片机输出,将单片机输出的方波加以限流电阻驱动光耦器。由光耦驱动电路(如图5所示)输出的信号控制压控元件MOSFET开关管的快速的打开和关断。光耦电路将控制信号与能量转化电路隔开,起到隔离的作用。

图5 光耦电路

3 实验结果分析

选择32.5uH的线圈进行试验,通过示波器测量采集电阻两侧的电压变化,如图示6为采集电阻两端电压变化。其中比较缓慢的上升沿为线圈充电过程,达到最大电压值为2V,可以计算出线圈中的电流大小为1A。当线圈充满电时,利用单片机输出的方波信号控制开关关断。此时电路中没有电源供电,回路中仅有电感线圈进行放电,图示7为电压变化的下降沿放大。由图可看出线圈中的电流可以在500ns之内放电完毕。电流变化率快,根据毕奥-萨伐尔定律,将在刺激线圈周围产生感应磁场。

图6 电感线圈电压变化

图7 电感线圈电压减小过程

表1 与文献[5]中实验结果对比

由表1可得出:用RL回路设计的1A脉冲小电流磁刺激电路可代替RLC回路325A脉冲大电流的设计,得到快速变化的脉冲电流,通入该电流的线圈可在人体组织细胞产生感应电场,达到磁刺激治疗的目的。

4 结束语

通过设计一种小电流,低电压的经颅磁治疗装置,主要通过线圈中快速的变化的电流产生感应磁场,经过对比试验表明,在激励线圈中通以小电流也可以达到产生感应电场的要求。并且降低了大电流经颅磁设备使用时的安全隐患,采用低压电源,可以减小设备体积,降低设备的功耗,节约能源,而且具有便携优点。采用高速MOSFET管控制线圈的充电与放电,使设备更加具有可控性。在临床医学的使用上,具有实用的价值。

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