降低功耗的高頻磁刺激儀電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真

1、降低功耗的高頻磁刺激儀電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真         11-02-08 16:09:00     編輯：studa20                         作者：安好，劉志朋，李松，蒲莉娜，殷濤【摘要】  針對

2、重復(fù)經(jīng)顱磁刺激儀功率消耗高的問題，我們通過建立電路模型，利用MATLAB平臺進(jìn)行仿真計(jì)算，研究了一種對放電的剩余能量進(jìn)行有效回收的方法，并對磁刺激儀充放電及電能回收電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)利用MCU實(shí)現(xiàn)了對電路充放電的智能控制。通過NI的Multisim平臺對電能回收電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，本研究設(shè)計(jì)的電能回收電路，能使放電能量的回收率達(dá)到21%，從而降低了重復(fù)經(jīng)顱磁刺激系統(tǒng)的功耗，提高了電能的利用效率。 【關(guān)鍵詞】  高頻磁刺激；降低功耗；優(yōu)化設(shè)計(jì)；能量回收；仿真    Abstract：In order to solve the key tec

3、hnology of high power consumption in repetitive transcranial magnetic stimulation(rTMS),we presented a design for collecting and utilizing the rest energy in the process of TMS. A circuit model was established and Matlab was used as a tool to optimize the circuit parameters. The system circuit auto-

4、controlled by MCU was designed to carry out the principle of utilizing the rest energy and Multisim derived from national instrument(NI) was used to simulate the circuit design. Results of the simulating experiment show good performance in reducing the power consumption of 21% in the rTMS system, th

5、is design can reduce the power consumption and take advantage of utilization efficiency.    Key words：Repetitive transcranial magnetic stimulation; Reducing power consumption; Optimized design; Energy recovery; Simulation    1  引  言    經(jīng)顱磁刺激(TMS

6、) 是利用時(shí)變磁場作用于大腦皮層產(chǎn)生感應(yīng)電流,改變皮層神經(jīng)細(xì)胞的動作電位,從而影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)電活動的生物刺激技術(shù)。TMS問世以后,受到人們的廣泛關(guān)注。然而，其應(yīng)用只限于測量皮質(zhì)可興奮性閾值和運(yùn)動神經(jīng)傳導(dǎo)1。重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(rTMS)的出現(xiàn)，使磁刺激技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的歷史階段,應(yīng)用進(jìn)一步拓寬,使TMS可以實(shí)現(xiàn)關(guān)閉特定皮質(zhì)區(qū)的功能,影響重要的非運(yùn)動皮質(zhì)區(qū),也顯示了它在一些精神疾病如抑郁癥治療方面的潛力2-3。盡管rTMS在腦功能研究和治療方面顯示出令人鼓舞的結(jié)果,其進(jìn)一步發(fā)展仍依賴于磁刺激儀本身的完善。從技術(shù)角度看,現(xiàn)有的經(jīng)顱磁刺激儀功率消耗過大、線圈發(fā)熱過快、價(jià)格昂貴,這些限制了磁刺激技術(shù)在

7、我國的應(yīng)用和研究,有必要研制出新的或改進(jìn)現(xiàn)有的磁刺激系統(tǒng)。    目前磁刺激儀所采用的方法一般是先對儲能電容進(jìn)行充電，充滿后快速連通磁刺激線圈放電，以產(chǎn)生較大的電流變化率，從而產(chǎn)生較大時(shí)變磁場并在頭部靶區(qū)感應(yīng)出足夠強(qiáng)的電流，使可興奮的神經(jīng)組織去極化，達(dá)到激活神經(jīng)元細(xì)胞的目的。其基本電路構(gòu)成見圖4。TMS不考慮電容充電時(shí)間的快慢，所以對電源功率的要求較低，功耗問題不突出。而且電容值和充電電壓都可以很高，放電波形即使在過阻尼的狀態(tài)下，也能使流經(jīng)線圈的電流變化率達(dá)到很高的水平且持續(xù)時(shí)間很長，是最初級的磁刺激系統(tǒng)。而需要提高刺激頻率達(dá)到10100 Hz的水平時(shí)，如果不改變

8、原電路的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功耗顯然會大幅增加儀器成本并降低可靠性。所以，直接將TMS升級為rTMS效率十分低下，因此需要優(yōu)化電路參數(shù)并合理設(shè)計(jì)工作方式。本研究通過重復(fù)經(jīng)顱磁刺激電路模型的建立，給出了參數(shù)的優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)了新型的電路結(jié)構(gòu)和控制方式以達(dá)到降低功耗的目的。本研究擬實(shí)現(xiàn)的最大刺激頻率為60 Hz。2  rTMS電路的參數(shù)優(yōu)化    2.1  提高電流變化率的方法分析    在圖1的RLC電路中，為了得到神經(jīng)磁刺激所需的脈沖磁場，放電時(shí)流經(jīng)線圈的電流變化率是一個(gè)重要的參數(shù)，直接關(guān)系到刺激效率和功耗，提高電流變化率可以

9、提高能量利用率從而降低功耗。在推導(dǎo)電流變化率前，首先明確如下參數(shù)定義：0=1/LC，=R/2L,d=w20-2，其中，0為RLC回路的諧振頻率，為衰減系數(shù)，d為欠阻尼振蕩的角頻率。有研究5認(rèn)為：無論RLC電路工作于何種阻尼態(tài)下，線圈放電時(shí)所能達(dá)到的最大電流變化率均為：(dI/dt)max=U0/L（其中U0為電容最高充電電壓）。本研究對電流變化率的最大值與阻尼度密的關(guān)系也做了理論分析。過程如下：    對于過阻尼狀態(tài)，有：    i(t)=C·1·2U0(e-2·t-e-1·t)/(2-1)(1

10、)    設(shè)C1=C·a1·a2U0/(a2-a1)，對(1)式求導(dǎo)得：    dI/dt=C2(e-1·t-e-2·t)(2)    其最大值在t=0+處，為:    （dI/dt）max=-U0·C·1·2=-U0/L(3)    其中：1=-02-2，2=+02-2，    (21)，具有頻率量綱，稱為固有頻率或自然頻率。 

11、0;  同理，在臨界阻尼狀態(tài)下，電流變化率的最大值（t=0+）:    （dI/dt）max=-U0·C·2=-U0·C·R2/(4·L2)=    -U0/L（4）    而在欠阻尼狀態(tài)下電流變化率的最大值（t=0+）為：    （dI/dt）max=(2-2d)·C·K·cos（5）    其中：    K1=Uc(0+)，

12、K2=·Uc（0+）+iL(0+)d，    K=K21+K22，=-tg-1(K2/K1)    化簡得：    （dI/dt ）max=-U0/L(6)    可見，在t=0+時(shí)刻，在相同電感和電容電壓條件下，對于不同阻尼度參數(shù)設(shè)置，得到的電流變化率最大值相同，均為-U0/L。在欠阻尼條件下，電流由最大到最小的變化過程最短。對于一定的電容充電電壓，減小電感值，可使放電電流變窄，并獲得高的電流變化率，減小電阻，使電流波形向欠阻尼過渡，提高電流變化率。另外，在磁刺激

13、線圈參數(shù)（即放電電阻、電感值）確定后，電容值的選取對電流變化率影響不大，但作為主要的儲能元件，直接關(guān)系著放電脈沖的脈寬及幅值。    2.2  RLC電路參數(shù)的優(yōu)化    參考英國MagProR30型磁刺激儀技術(shù)參數(shù)，分析雙相脈沖的工作模式6-7，脈沖周期為280 s，對應(yīng)的正弦波角頻率為d=22459 rad/s。本研究選取一般線圈常用的電感和電阻值，通過改變電容的大小來優(yōu)化刺激波形8。實(shí)現(xiàn)功能性神經(jīng)刺激不僅需要幅度閾值，還需要時(shí)間閾值，本研究設(shè)計(jì)的雙相脈沖寬度不小于280 s。解析式分析表明，欠阻尼狀態(tài)下電容大小與震蕩頻率成反比，Cadwell J提出的結(jié)合神經(jīng)電纜方程9給出的優(yōu)化的電容值為44.7 F，為保證刺