降低功耗的高频磁刺激仪电路参数优化设计及仿真

1、降低功耗的高频磁刺激仪电路参数优化设计及仿真         11-02-08 16:09:00     编辑：studa20                         作者：安好，刘志朋，李松，蒲莉娜，殷涛【摘要】  针对

2、重复经颅磁刺激仪功率消耗高的问题，我们通过建立电路模型，利用MATLAB平台进行仿真计算，研究了一种对放电的剩余能量进行有效回收的方法，并对磁刺激仪充放电及电能回收电路进行了设计，同时利用MCU实现了对电路充放电的智能控制。通过NI的Multisim平台对电能回收电路进行了仿真验证。仿真结果表明，本研究设计的电能回收电路，能使放电能量的回收率达到21%，从而降低了重复经颅磁刺激系统的功耗，提高了电能的利用效率。 【关键词】  高频磁刺激；降低功耗；优化设计；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    经颅磁刺激(TMS

6、) 是利用时变磁场作用于大脑皮层产生感应电流,改变皮层神经细胞的动作电位,从而影响脑内代谢和神经电活动的生物刺激技术。TMS问世以后,受到人们的广泛关注。然而，其应用只限于测量皮质可兴奋性阈值和运动神经传导1。重复经颅磁刺激(rTMS)的出现，使磁刺激技术发展到一个新的历史阶段,应用进一步拓宽,使TMS可以实现关闭特定皮质区的功能,影响重要的非运动皮质区,也显示了它在一些精神疾病如抑郁症治疗方面的潜力2-3。尽管rTMS在脑功能研究和治疗方面显示出令人鼓舞的结果,其进一步发展仍依赖于磁刺激仪本身的完善。从技术角度看,现有的经颅磁刺激仪功率消耗过大、线圈发热过快、价格昂贵,这些限制了磁刺激技术在

7、我国的应用和研究,有必要研制出新的或改进现有的磁刺激系统。    目前磁刺激仪所采用的方法一般是先对储能电容进行充电，充满后快速连通磁刺激线圈放电，以产生较大的电流变化率，从而产生较大时变磁场并在头部靶区感应出足够强的电流，使可兴奋的神经组织去极化，达到激活神经元细胞的目的。其基本电路构成见图4。TMS不考虑电容充电时间的快慢，所以对电源功率的要求较低，功耗问题不突出。而且电容值和充电电压都可以很高，放电波形即使在过阻尼的状态下，也能使流经线圈的电流变化率达到很高的水平且持续时间很长，是最初级的磁刺激系统。而需要提高刺激频率达到10100 Hz的水平时，如果不改变

8、原电路的设计，系统功耗显然会大幅增加仪器成本并降低可靠性。所以，直接将TMS升级为rTMS效率十分低下，因此需要优化电路参数并合理设计工作方式。本研究通过重复经颅磁刺激电路模型的建立，给出了参数的优化方案，设计了新型的电路结构和控制方式以达到降低功耗的目的。本研究拟实现的最大刺激频率为60 Hz。2  rTMS电路的参数优化    2.1  提高电流变化率的方法分析    在图1的RLC电路中，为了得到神经磁刺激所需的脉冲磁场，放电时流经线圈的电流变化率是一个重要的参数，直接关系到刺激效率和功耗，提高电流变化率可以

9、提高能量利用率从而降低功耗。在推导电流变化率前，首先明确如下参数定义：0=1/LC，=R/2L,d=w20-2，其中，0为RLC回路的谐振频率，为衰减系数，d为欠阻尼振荡的角频率。有研究5认为：无论RLC电路工作于何种阻尼态下，线圈放电时所能达到的最大电流变化率均为：(dI/dt)max=U0/L（其中U0为电容最高充电电压）。本研究对电流变化率的最大值与阻尼度密的关系也做了理论分析。过程如下：    对于过阻尼状态，有：    i(t)=C·1·2U0(e-2·t-e-1·t)/(2-1)(1

10、)    设C1=C·a1·a2U0/(a2-a1)，对(1)式求导得：    dI/dt=C2(e-1·t-e-2·t)(2)    其最大值在t=0+处，为:    （dI/dt）max=-U0·C·1·2=-U0/L(3)    其中：1=-02-2，2=+02-2，    (21)，具有频率量纲，称为固有频率或自然频率。 

11、0;  同理，在临界阻尼状态下，电流变化率的最大值（t=0+）:    （dI/dt）max=-U0·C·2=-U0·C·R2/(4·L2)=    -U0/L（4）    而在欠阻尼状态下电流变化率的最大值（t=0+）为：    （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)    化简得：    （dI/dt ）max=-U0/L(6)    可见，在t=0+时刻，在相同电感和电容电压条件下，对于不同阻尼度参数设置，得到的电流变化率最大值相同，均为-U0/L。在欠阻尼条件下，电流由最大到最小的变化过程最短。对于一定的电容充电电压，减小电感值，可使放电电流变窄，并获得高的电流变化率，减小电阻，使电流波形向欠阻尼过渡，提高电流变化率。另外，在磁刺激

13、线圈参数（即放电电阻、电感值）确定后，电容值的选取对电流变化率影响不大，但作为主要的储能元件，直接关系着放电脉冲的脉宽及幅值。    2.2  RLC电路参数的优化    参考英国MagProR30型磁刺激仪技术参数，分析双相脉冲的工作模式6-7，脉冲周期为280 s，对应的正弦波角频率为d=22459 rad/s。本研究选取一般线圈常用的电感和电阻值，通过改变电容的大小来优化刺激波形8。实现功能性神经刺激不仅需要幅度阈值，还需要时间阈值，本研究设计的双相脉冲宽度不小于280 s。解析式分析表明，欠阻尼状态下电容大小与震荡频率成反比，Cadwell J提出的结合神经电缆方程9给出的优化的电容值为44.7 F，为保证刺