醫(yī)用高強(qiáng)度磁場的磁場線圈散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳卓強(qiáng)，李林，祖慧鵬

1 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 (廣東廣州 510663)；2 橙象醫(yī)療科技(廣州)有限公司 (廣東廣州 511400)

近年來，高強(qiáng)度磁場在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(repetitivetranscranialmagneticstimulation，rTMS)與功能性磁刺激(functionalmagneticstimulation，F(xiàn)MS)就是利用高強(qiáng)度的磁場治療卒中和其他疾病患者的常用療法。近些年臨床還針對婦產(chǎn)科研發(fā)了特別治療盆底疾病的專用磁刺激設(shè)備。磁刺激是指利用脈沖磁場作用于人體，通過改變體內(nèi)細(xì)胞的膜電位，使之生成感應(yīng)電流，從而影響細(xì)胞代謝和神經(jīng)電活動。目前的重復(fù)經(jīng)顱磁刺激設(shè)備產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度范圍達(dá)1.5～6.0 T[1],功能性磁刺激的磁場強(qiáng)度范圍最大可以達(dá)到4 T。在產(chǎn)生高強(qiáng)度的磁場過程中，磁刺激線圈終會被通入上千伏的電壓，導(dǎo)致線圈產(chǎn)生大量的熱量。有研究證明，當(dāng)線圈通入1 400 V電壓時，線圈溫度從室溫升高至60 ℃僅需75 s[2]；由于適用場景的需要，在一般情況下，需要將磁刺激線圈與人體直接接觸，根據(jù)醫(yī)療器械通用標(biāo)準(zhǔn)GB 9706.1-2020《醫(yī)用電氣設(shè)備第1部分：基本安全和基本性能的通用要求》中的相關(guān)規(guī)定，磁刺激線圈與人體直接接觸位置的最高溫度不得高于41 ℃。因此，如何實現(xiàn)對磁刺激線圈的散熱，以保證線圈溫度不會導(dǎo)致燙傷是磁刺激設(shè)計過程中的重要問題。目前，磁刺激設(shè)備的散熱方式包括風(fēng)冷、液冷和半導(dǎo)體制冷片制冷[3]。風(fēng)冷、液冷的常規(guī)散熱方式普遍存在散熱效率低下的問題；半導(dǎo)體制冷片是新型的散熱設(shè)備，但由于原理限制，其在散熱的同時會產(chǎn)生一定的熱量，故如何對半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行散熱也是應(yīng)用過程中的難點。本研究設(shè)計了一款可以有效提高散熱效率的線圈，并分析了其磁刺激性能和散熱性能，現(xiàn)報道如下。

1 磁場線圈的散熱模擬

本研究利用COMSOL Multiphysics對線圈的散熱情況進(jìn)行分析。COMSOL Multiphysics是一款多物理場建模與仿真軟件，軟件所提供的共軛傳熱分析功能可以結(jié)合磁刺激設(shè)備中的熱傳導(dǎo)和電磁線圈周圍流體的對流進(jìn)行散熱情況分析。

1.1 傳熱方程

ρCpu·▽T+▽q=Q

(1)

q=-k▽T

(2)

式中，ρ為密度(SI單位：kg/m3)；Cp為定壓熱容(SI單位：J/kg/K)；T為溫度場(SI單位：K)；q為熱通量(SI 單位：W/m2)；Q為熱源(SI單位：W/m3)；k為導(dǎo)熱系數(shù)(SI單位：W/m/K)[4]。

1.2 磁刺激線圈的模型設(shè)計

本設(shè)計的重點是從磁刺激的實際使用場景出發(fā)，對線圈的參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)目前市場上磁刺激產(chǎn)品的情況，主要采用多匝圓形線圈，線圈直徑為130 mm，呈渦線狀繞制，匝數(shù)為10匝，線纜為銅質(zhì)材料，寬度為15.64 mm，厚度為3 mm；新型磁刺激線圈的線纜采用U形結(jié)構(gòu)設(shè)計，即在線纜的一個側(cè)面開設(shè)寬度為1.8 mm，深度為9.4 mm的凹槽，利用SOLIDWORKS三維制圖軟件進(jìn)行三維建模，見圖1。

2 磁場線圈散熱模擬結(jié)果分析

2.1 散熱模型的建立

基于目前磁刺激產(chǎn)品的實際應(yīng)用場景，我們采用最基本的浸泡式散熱，即將線圈置于內(nèi)部充滿冷卻液的腔體中?？紤]到磁刺激產(chǎn)品在腦神經(jīng)治療和婦科盆底疾病治療中的實際應(yīng)用，將其外殼設(shè)計為圓環(huán)形，本研究中，為了簡化分析，省略了外殼模型，直接對殼體內(nèi)的冷卻液體和磁場線圈進(jìn)行建模；簡化模型包括一個冷卻腔體，冷卻腔體上對稱開設(shè)有冷卻液進(jìn)口和冷卻液出口[5-7]。

2.2 流場和邊界的設(shè)定

磁場線圈為銅質(zhì)材料，熱源設(shè)為廣義源；考慮到散熱效果與磁刺激器的實際情況，選擇水作為散熱介質(zhì)冷卻液；考慮到實際使用中冷卻液制冷的功耗較大，選取冷卻液體的初始溫度為20 ℃，這樣僅需對流出冷卻腔體的冷卻液體進(jìn)行制冷降溫，可降低功耗；設(shè)定冷卻液進(jìn)口壓力為正壓，冷卻液出口壓力為負(fù)壓，可增加液體的流動速率[8]。為了簡化計算，不考慮外界空氣的影響，將除了冷卻液進(jìn)口、冷卻液出口以外的其他表面均設(shè)置為阻滯熱傳遞。

2.3 網(wǎng)格劃分

利用COMSOL Multiphysics自帶的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小采用自定義網(wǎng)格，最大網(wǎng)格為20 mm，最小網(wǎng)格為5 mm，模型見圖2。

注：1為冷卻液進(jìn)口；2為冷卻腔體；3為電磁線圈；4為冷卻液出口

2.4 磁場線圈散熱模擬結(jié)果分析

經(jīng)測量，新型磁刺激線圈、實心線圈的電阻均為1.57×10-3Ω；由此計算出兩種線圈的發(fā)熱功率均為14.13 kW；考慮實際線圈的加工制作過程存在差異，分析時，將線圈的發(fā)熱功率統(tǒng)一設(shè)置為20 kW[9-10]。

為分析新型磁場線圈的散熱效果，將實心線圈設(shè)置為對照組，比較新型磁刺激線圈與對照組在不同結(jié)構(gòu)的冷卻腔體模型中的散熱效果。

2.4.1第1組對比分析

選用外形尺寸相同的兩個電磁線圈，一個線圈采用新型磁刺激線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對照組1采用實心電纜線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計；實心電纜的外形尺寸與新型磁刺激線圈相同，利用solidworks進(jìn)行三維建模，三維模型見圖3。冷卻液進(jìn)口壓力為50 kPa，冷卻液出口壓力為-50 kPa。

按照上述參數(shù)進(jìn)行分析后得出圖4。

(a)新型磁刺激線圈 (b)對照組

由圖4可知，兩種線圈在相同的工況下，均在冷卻腔體靠近冷卻液出口處達(dá)到最高溫度，其中，新型磁刺激線圈的最高溫度為33.4 ℃，對照組的最高溫度為35.9 ℃，新型磁刺激線圈的溫度略低于對照組。

2.4.2第2組對比分析

我們對散熱腔體的模型進(jìn)行了優(yōu)化，在第1組對比分析中，冷卻液的進(jìn)出口設(shè)置在冷卻腔體的兩側(cè)，由于冷卻液進(jìn)出口位置的限制，會導(dǎo)致大量高溫液體集中在冷卻液出口附近；由于冷卻液的進(jìn)出口是采用對稱設(shè)計，因此冷卻腔體靠近冷卻液出口的50%范圍內(nèi)都會是高溫流場區(qū)域。為了增加冷卻效率，第2組對比分析采用冷卻腔體兩側(cè)的圓柱面作為冷卻液進(jìn)口，在冷卻腔體一側(cè)的平面上開設(shè)兩個冷卻液出口，具體結(jié)構(gòu)見圖5。

注：1為冷卻液進(jìn)口；2為冷卻腔體；3為冷卻液出口

按照上述參數(shù)進(jìn)行分析后，得出圖6。

(a)新型磁刺激線圈 (b)對照組

由圖6可知，兩種線圈在相同工況下，新型磁刺激線圈的最高溫度為26.9 ℃，對照組2的最高溫度為29.8 ℃，新型磁刺激線圈的溫度略低于對照組。同時優(yōu)化后的冷卻腔體減少了高溫流場的區(qū)域，且高溫區(qū)域集中在中部，冷卻腔體靠近冷卻液出口處；而且，優(yōu)化后的冷卻腔體最高溫度均低于第1組，具有較為優(yōu)異的冷卻效果。

3 線圈的磁場強(qiáng)度模擬與分析

由于新型磁刺激線圈改變了線纜的整體結(jié)構(gòu)，會對其產(chǎn)生的磁場造成一定的影響，故首先對新型磁刺激線圈和對照組線圈進(jìn)行磁場強(qiáng)度模擬分析。

3.1 磁場強(qiáng)度模擬模型的建立和邊界設(shè)定

將建立好的線圈模型導(dǎo)入COMSOL軟件中，利用COMSOL軟件中的電磁場模擬模塊進(jìn)行分析，以線圈模型為中心，建立一個邊長為200 mm的正方形空氣域，計算線圈周邊的磁場分布。磁場線圈為銅質(zhì)材料，線圈兩端輸入的電流強(qiáng)度為3 000 A。

3.2 網(wǎng)格劃分

利用COMSOL Multiphysics自帶的網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小采用物理場控制網(wǎng)格，常規(guī)網(wǎng)格尺寸，模型見圖7。

(a)新型磁刺激線圈 (b)對照組磁刺激線

3.3 磁場強(qiáng)度模擬結(jié)果分析

將線圈導(dǎo)線模型設(shè)置為單導(dǎo)線，線圈的激勵電流設(shè)置為3 000 A，進(jìn)行模擬分析后得出圖8。

圖8中，(a)、(b)為線圈的磁場長分布圖；由圖中可以看出，兩線圈的磁場分布由中心至四周磁場，強(qiáng)度呈逐漸減弱的趨勢，并在線圈的內(nèi)部邊緣處形成最大磁場。(c)、(d)、(e)為兩組線圈的磁場分布曲線圖，以兩組線圈的中心位置為原點，以線圈的上表面為XY平面，建立坐標(biāo)系，與XY平面垂直的方向為Z軸，分別計算磁場上方的磁場分布情況。其中，(c)、(d)為線圈表面10 mm處的磁場分布曲線，由圖中可知，兩種線圈的磁場分布相同，最大的磁場強(qiáng)度在線圈中心兩側(cè)30 mm處，磁場強(qiáng)度為0.35 T；即新型磁場線圈表面的磁場分布情況及磁場強(qiáng)度與對照組持平，新型線圈可以滿足正常的使用需求[11-15]。

4 小結(jié)

本研究提供了一種新型磁刺激線圈，并利用COMSOL Multiphysics軟件對線圈的散熱性能和磁場分布情況進(jìn)行了分析。本研究將普通的矩形線纜線圈作為對照組，在第1組散熱分析中，采用簡化設(shè)計的散熱模型對新型磁刺激線圈與對照組線圈的散熱情況進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，簡化模型中新型磁刺激線圈的散熱效果優(yōu)于對照組，兩者均可將線圈的周邊溫度降低至41 ℃以下；在第2組散熱分析中，我們對整個散熱模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的散熱模型可以將線圈的周邊溫度降低至30 ℃以下；同時，模型中新型磁刺激線圈的散熱效果優(yōu)于對照組；另外，我們還分析了兩種不同線圈的磁場分布，其產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度差異較小，新型磁刺激線圈的磁場分布情況與對照組持平，新型線圈可以滿足正常的使用需求[16-21]。

(a)新型磁場線圈的磁場分布