基于脈沖小電流的經(jīng)顱磁刺激電路設(shè)計

楊 樂, 劉冀成, 譚偉強

(成都信息工程學院電子工程學院,四川成都610225)

0 引言

19世紀80年代,Barker等人發(fā)現(xiàn)將通以電流的線圈置于大腦皮層上,能觀察到手部肌肉的抽動,并且記錄到了運動皮層誘發(fā)電位(Motor Evoked Potentials,MEPs)。這種方法被稱為經(jīng)顱磁刺激技術(shù)(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)[1-2]。時至今日,TMS并且以其無痛、無創(chuàng)、非侵入式的治療方法而被廣泛應(yīng)用。并且通常被用作研究人體大腦皮層對視覺,語言和運動功能的影響,尤其在對于精神疾病的治療中起了很大作用[3]。TMS是利用電感進行能量轉(zhuǎn)化,在電感中通以快速變化的強電流,能產(chǎn)生一個可穿過顱骨的強磁場,該磁場在大腦皮層內(nèi)誘發(fā)感應(yīng)電流,達到刺激神經(jīng)細胞的目的。為了達到刺激相應(yīng)神經(jīng)組織部位的效果,磁刺激器中的線圈必須能在線圈表面產(chǎn)生1.5～2特斯拉(T)的磁場強度,并且能夠達到在距頭皮表面1.5～2cm的深度[4]。然而,傳統(tǒng)的磁刺激治療儀都需要使用較高的供電電壓獲得脈沖大電流,而治療時線圈將置于人體大腦皮層上,這就存在潛在的安全隱患。此外,電路功耗大,生產(chǎn)和使用治療儀成本較高。因此,提出的用小電流獲得磁場的方法,由于其采用低壓供電,利用加快電流變化率獲得感應(yīng)電場。通過實驗可以滿足產(chǎn)生磁場的要求。這為有效減小整體電路的功耗,降低治療費用,提高治療時的安全按保障提供理論基礎(chǔ)。

1 脈沖磁場產(chǎn)生原理

采用圓形激勵線圈,當線圈中通入直流電流時,將在線圈周圍感應(yīng)出磁場。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律,取dB為由電流元所產(chǎn)生的磁場,在距離它處的P點的磁感應(yīng)強度為:

圓形線圈在空間某點產(chǎn)生的磁場如圖1所示。

由磁場疊加原理,在空間任意一點P(x,y,z)處,由閉合線圈產(chǎn)生的時變磁場為:

式中:μr為線圈的相對磁導率,μ0為真空的磁導率,其值為 μ0=4π×10-7N·A-2,則磁導率為 μrμ0,→為線圈某點P處的電流元,→為電流元指向計算點P(x,y,z)的矢量。表示P點磁矢勢。

由法拉第電磁感應(yīng)定理可知:一個時變磁場B在它所通過的空間內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電場E(r,t),用公式可表示為:

由于▽×(▽·φ)=0,交換▽與?位置即可得到:

對于半無限空間可興奮性組織,在理想刺激條件下表面電荷密度可忽略。則有:

2 電路設(shè)計

2.1 RL電路與RLC電路的對比

圖1 圓形線圈產(chǎn)生磁場

傳統(tǒng)的經(jīng)顱磁治療裝置都采用RLC電路(如圖2a),先將開關(guān)K1撥到導通位置同時斷開K2,使電容器充電到電壓U,然后將開關(guān)K1斷開,K2連通,這時電容器開始放電,電路中電場的能量和磁場的能量相互轉(zhuǎn)換,直到全部能量耗盡。當電路中R2取值較大時,電路處于過阻尼狀態(tài),電感獲得的磁場能量隨電路電流的下降而逐漸釋放出,一起消耗在電阻上,此時電容電壓是單調(diào)下降的,形成非振蕩的放電過程;當R為0,電路中無能量損耗,振蕩將無限制的持續(xù)下去,形成等幅震蕩;當R取值較小時為欠阻尼狀態(tài),電容放電時,被電阻消耗的能量較少,大部分電場能轉(zhuǎn)化為磁場能被儲存在電感中,由于電阻不斷消耗著能量,此時電容電壓呈指數(shù)衰減的振蕩過程。RLC電路要求開關(guān)K1與K2能被很好的控制并按照一定時序開斷,若出現(xiàn)同時連通K1與K2時會造成電路類似短路狀態(tài),容易燒毀電路。

RL電路由自感為L的線圈和電阻串聯(lián)而成(如圖2b),當把開關(guān)K1接通,將給電感L充電。由于自感作用,電流將經(jīng)歷從零逐漸增大到穩(wěn)定的過程,電感器中電流變化的速率取決于RL時間常數(shù)τ。當電路中電流已達到穩(wěn)定值后,把開關(guān)K1關(guān)斷,這是電路中只存在自感電動勢,電流按指數(shù)規(guī)律下降,下降快慢也由時間常數(shù) τ決定。因此,當改變RL電路參數(shù)時可以很好的控制線圈放電時間。而RLC電路要求電路處于欠阻尼狀態(tài)以達到更高效的能量轉(zhuǎn)換,故采用RL電路可避免整體電路工作在非理想狀態(tài),此外,根據(jù)公式,磁場能存儲在磁場中,也使整體電路的功耗下降。

圖2 RLC和RL電路

2.2 脈沖小電流TMS的電路設(shè)計

設(shè)計的脈沖小電流經(jīng)顱磁刺激系統(tǒng)總體設(shè)計如圖3所示。

通過控制開關(guān)的開斷,當開關(guān)處于連通狀態(tài)時,電源給電感線圈充電。電感內(nèi)的電流呈指數(shù)上升狀態(tài)直至電感充電達到飽和。關(guān)斷開關(guān),電感內(nèi)的電流通過電阻迅速放電,由于電流的迅速變化,將在電感周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場。

電流下降的速度越快,產(chǎn)生的感應(yīng)磁場強度也就越大。時間常數(shù)可由 τ=L/R計算出線圈放電時間,并靈活設(shè)定開關(guān)時間。電感線圈中的電流變化如圖4所示。在 τ0到 τ1的時間段控制開關(guān)導通線圈充電。在τ1時刻電流值達到最大。τ1到τ2時間段線圈充電達到飽和。在τ2時刻,控制開關(guān)關(guān)斷,線圈迅速通過放電電阻放電,吸收脈沖尖峰電路可緩解開關(guān)關(guān)斷時刻波形的抖動。在這個過程中,電感線圈里的電流驟降即在其周圍產(chǎn)生了感應(yīng)磁場。τ2到 τ3時間段線圈放電完成。

圖3 總體設(shè)計方案圖

圖4 充放電過程

控制開關(guān)的信號由STC12C5A60S2高速單片機輸出,將單片機輸出的方波加以限流電阻驅(qū)動光耦器。由光耦驅(qū)動電路(如圖5所示)輸出的信號控制壓控元件MOSFET開關(guān)管的快速的打開和關(guān)斷。光耦電路將控制信號與能量轉(zhuǎn)化電路隔開,起到隔離的作用。

圖5 光耦電路

3 實驗結(jié)果分析

選擇32.5uH的線圈進行試驗,通過示波器測量采集電阻兩側(cè)的電壓變化,如圖示6為采集電阻兩端電壓變化。其中比較緩慢的上升沿為線圈充電過程,達到最大電壓值為2V,可以計算出線圈中的電流大小為1A。當線圈充滿電時,利用單片機輸出的方波信號控制開關(guān)關(guān)斷。此時電路中沒有電源供電,回路中僅有電感線圈進行放電,圖示7為電壓變化的下降沿放大。由圖可看出線圈中的電流可以在500ns之內(nèi)放電完畢。電流變化率快,根據(jù)畢奧-薩伐爾定律,將在刺激線圈周圍產(chǎn)生感應(yīng)磁場。

圖6 電感線圈電壓變化

圖7 電感線圈電壓減小過程

表1 與文獻[5]中實驗結(jié)果對比

由表1可得出:用RL回路設(shè)計的1A脈沖小電流磁刺激電路可代替RLC回路325A脈沖大電流的設(shè)計,得到快速變化的脈沖電流,通入該電流的線圈可在人體組織細胞產(chǎn)生感應(yīng)電場,達到磁刺激治療的目的。

4 結(jié)束語

通過設(shè)計一種小電流,低電壓的經(jīng)顱磁治療裝置,主要通過線圈中快速的變化的電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場,經(jīng)過對比試驗表明,在激勵線圈中通以小電流也可以達到產(chǎn)生感應(yīng)電場的要求。并且降低了大電流經(jīng)顱磁設(shè)備使用時的安全隱患,采用低壓電源,可以減小設(shè)備體積,降低設(shè)備的功耗,節(jié)約能源,而且具有便攜優(yōu)點。采用高速MOSFET管控制線圈的充電與放電,使設(shè)備更加具有可控性。在臨床醫(yī)學的使用上,具有實用的價值。

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