楊 樂, 劉冀成, 譚偉強(qiáng)

(成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院,四川成都610225)

0 引言

19世紀(jì)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(dòng),并且記錄到了運(yùn)動(dòng)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(shí)至今日,TMS并且以其無(wú)痛、無(wú)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(duì)視覺,語(yǔ)言和運(yùn)動(dòng)功能的影響,尤其在對(duì)于精神疾病的治療中起了很大作用[3]。TMS是利用電感進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化,在電感中通以快速變化的強(qiáng)電流,能產(chǎn)生一個(gè)可穿過顱骨的強(qiáng)磁場(chǎng),該磁場(chǎng)在大腦皮層內(nèi)誘發(fā)感應(yīng)電流,達(dá)到刺激神經(jīng)細(xì)胞的目的。為了達(dá)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(chǎng)強(qiáng)度,并且能夠達(dá)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(shí)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(chǎng)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(chǎng)。通過實(shí)驗(yàn)可以滿足產(chǎn)生磁場(chǎng)的要求。這為有效減小整體電路的功耗,降低治療費(fèi)用,提高治療時(shí)的安全按保障提供理論基礎(chǔ)。

1 脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生原理

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

圓形線圈在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖1所示。

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

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

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

由于▽×(▽·φ)=0,交換▽與?位置即可得到:

對(duì)于半無(wú)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(jì)

2.1 RL電路與RLC電路的對(duì)比

圖1 圓形線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)

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(dǎo)通位置同時(shí)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(shí)電容器開始放電,電路中電場(chǎng)的能量和磁場(chǎng)的能量相互轉(zhuǎn)換,直到全部能量耗盡。當(dāng)電路中R2取值較大時(shí),電路處于過阻尼狀態(tài),電感獲得的磁場(chǎng)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(shí)電容電壓是單調(diào)下降的,形成非振蕩的放電過程;當(dāng)R為0,電路中無(wú)能量損耗,振蕩將無(wú)限制的持續(xù)下去,形成等幅震蕩;當(dāng)R取值較小時(shí)為欠阻尼狀態(tài),電容放電時(shí),被電阻消耗的能量較少,大部分電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能被儲(chǔ)存在電感中,由于電阻不斷消耗著能量,此時(shí)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(shí)序開斷,若出現(xiàn)同時(shí)連通K1與K2時(shí)會(huì)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(zhǎng)的線圈和電阻串聯(lián)而成(如圖2b),當(dāng)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(shí)間常數(shù)τ。當(dāng)電路中電流已達(dá)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(dòng)勢(shì),電流按指數(shù)規(guī)律下降,下降快慢也由時(shí)間常數(shù) τ決定。因此,當(dāng)改變RL電路參數(shù)時(shí)可以很好的控制線圈放電時(shí)間。而RLC電路要求電路處于欠阻尼狀態(tài)以達(dá)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(chǎng)能存儲(chǔ)在磁場(chǎng)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(jì)

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

通過控制開關(guān)的開斷,當(dāng)開關(guān)處于連通狀態(tài)時(shí),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(dá)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(chǎng)。

電流下降的速度越快,產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度也就越大。時(shí)間常數(shù)可由 τ=L/R計(jì)算出線圈放電時(shí)間,并靈活設(shè)定開關(guān)時(shí)間。電感線圈中的電流變化如圖4所示。在 τ0到 τ1的時(shí)間段控制開關(guān)導(dǎo)通線圈充電。在τ1時(shí)刻電流值達(dá)到最大。τ1到τ2時(shí)間段線圈充電達(dá)到飽和。在τ2時(shí)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(shí)刻波形的抖動(dòng)。在這個(gè)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(chǎng)。τ2到 τ3時(shí)間段線圈放電完成。

圖3 總體設(shè)計(jì)方案圖

圖4 充放電過程

控制開關(guān)的信號(hào)由STC12C5A60S2高速單片機(jī)輸出,將單片機(jī)輸出的方波加以限流電阻驅(qū)動(dòng)光耦器。由光耦驅(qū)動(dòng)電路(如圖5所示)輸出的信號(hào)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(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選擇32.5uH的線圈進(jìn)行試驗(yàn),通過示波器測(cè)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(dá)到最大電壓值為2V,可以計(jì)算出線圈中的電流大小為1A。當(dāng)線圈充滿電時(shí),利用單片機(jī)輸出的方波信號(hào)控制開關(guān)關(guān)斷。此時(shí)電路中沒有電源供電,回路中僅有電感線圈進(jìn)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(chǎng)。

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(xiàn)[5]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表1可得出:用RL回路設(shè)計(jì)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(jì),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(xì)胞產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng),達(dá)到磁刺激治療的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過設(shè)計(jì)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(chǎng),經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)表明,在激勵(lì)線圈中通以小電流也可以達(dá)到產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)的要求。并且降低了大電流經(jīng)顱磁設(shè)備使用時(shí)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(diǎn)。采用高速M(fèi)OSFET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(xué)的使用上,具有實(shí)用的價(jià)值。

[1] Barker A T,Jalinous R,Freeston I L.Non-invasive magnetic stimulation of human motor cortex[J].Lancet,1985,325(8437):1106-1107.

[2] Mark Hallett.Transcranial magnetic stimulation and the human brain[J].Nature magzines,2000.

[3] 劉冀成.基于改進(jìn)遺傳算法的生物電磁成像與磁場(chǎng)聚焦應(yīng)用研究[D].成都:四川大學(xué)博士學(xué)位論文,2005.

[4] 劉冀成,黃卡瑪,胡雅毅,等.功能磁刺激線圈陣列設(shè)計(jì)與場(chǎng)分布計(jì)算[J],航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,2004,17(5):365-369.

[5] 周曉露.經(jīng)顱磁刺激聚焦場(chǎng)設(shè)計(jì)與仿真[D].成都:成都信息工程學(xué)院碩士學(xué)位論文,2011.4.

[6] 馮亮,姚振東,劉冀成.經(jīng)顱磁刺激引導(dǎo)源的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2008,4:674-677.

[7] 呂浩,唐勁天.經(jīng)顱磁刺激技術(shù)的研究和進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息.2006,12(5):28-32.

[8] Cohen LG,Roth B,Nilsson J,et al.Effects of coil design on delivery of focal magnetic stimulation:technical considerations[J].Electroencephalogr Clin Neurophysiol,1990:75-350.

[9] Ruohonen J,Panizza M,Nilsson J,et al.Transverse field activation mechanism in magnetic stimulation of peripheral nerves[J].EEG ClinNeurophysiol,1996,101(1):167-169.

[10] Tergau F,Naumann U,Paulus W,et al.Low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation improves intractable epilepsy[J].Lancet,1999,353:2209-2217.

[11] Terao Y,Ugawa Y.Basic mechanisms of TMS[J].J Clin Neurophysiol,2002,19:322-343.

[12] 文俊,曲學(xué)民,楊繼慶.脈沖磁場(chǎng)刺激儀的研制[A].醫(yī)療衛(wèi)生裝備.2006,27:11.

[13] 董新明,周鵬,張振新,等.多導(dǎo)時(shí)空可變磁刺激系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備.2012,33:2.

[14] 任維聰,張志杰,王銘維.經(jīng)顱磁刺激在時(shí)間認(rèn)知研究中的應(yīng)用[J].中國(guó)臨床心理學(xué)雜志,2012,20:5.

[15] 于陽(yáng),李王月,張廣浩,等.適用于臨床及動(dòng)物試驗(yàn)的高頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].高電壓技術(shù),2013,39:1.