CN107456656B - 一种基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置，包括控制电路、充电电路、若干线圈及若干放电电路，其中，一个线圈对应一个放电电路，各个线圈均包括第一导线及第二导线，第一导线与第二导线紧贴缠绕在线圈骨架上，且第一导线与第二导线的缠绕方向相反，该装置能够减少驱动电路中的开关器件数量。
Description
技术领域
本发明属于生物电磁学技术领域，涉及一种基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置。
背景技术
经颅磁刺激技术是一种无痛、无创的神经刺激技术。如今经颅磁刺激技术已成为神经外科、精神科等临床科室的常用诊断与治疗手段，在脑功能研究方面也展示出巨大的潜力。经颅磁刺激装置主要由磁刺激线圈及其驱动与控制电路组成，驱动电路的作用是在刺激线圈中产生脉冲电流，控制电路的作用是控制刺激电流的幅值及重复频率。经颅磁刺激的本质是利用刺激线圈产生的时变磁场感应出刺激电场，从而引起生物电流在组织中传导，使神经细胞产生动作电位，影响脑内代谢和神经电活动。
1985年，Anthony Barker首次研制出磁刺激装置并成功刺激了人的大脑运动神经中枢，经颅磁刺激技术才正式诞生。现有的研究中，对单线圈的研究较为充分，其中为人熟知的圆形线圈和8字形线圈已经有了广泛的商业应用，大部分经颅磁刺激装置和临床治疗都基于这两种线圈。另外还有很多其他的单线圈形式，例如slinky线圈、四叶形线圈、H线圈等，目前还处于实验性研究。随着脑科学的发展，研究人员对经颅磁刺激装置的要求越来越高，例如高聚焦度、灵活的刺激方式、多点同步刺激、目标精确定位等，单线圈很难满足这些需求。于是多通道线圈阵列应运而生，它是由芬兰赫尔辛基大学的Ruohonen于1998年首次提出的，与传统单通道磁刺激线圈相比，多通道线圈阵列可以实现多点同步刺激、扫描刺激以及刺激模式的灵活切换。多通道线圈阵列一般由多个结构简单的单线圈按一定规律在空间中布置而成，主要有以圆形线圈为基础的圆形线圈阵列，以矩形为基础的方形线圈阵列，直导线为基础的直导线阵列三种。这三种线圈阵列的基本形式如图1所示，与圆形线圈阵列和方形线圈阵列相比，直导线阵列的结构最为简单、所需控制单元更少、线圈更易固定，因此直导线阵列具有更好的发展前景。
然而多通道线圈阵列由于驱动控制电路复杂，需要使用大量的开关器件等技术难点目前仅仅停留在理论阶段，实际中没有成熟的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置，该装置能够减少电路中的开关器件数量，驱动与控制电路的复杂度较低。
为达到上述目的，本发明所述的基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置包括控制电路、充电电路、若干线圈及若干放电电路，其中，一个线圈对应一个放电电路，各个线圈均包括线圈骨架、第一导线及第二导线，第一导线及第二导线缠绕在线圈骨架上，且第一导线与第二导线的缠绕方向相反；
充电电路经高压二极管与IGBT芯片的漏极相连接，IGBT芯片的源极与主电容的一端、第一放电晶闸管的阳极、第二放电晶闸管的阳极、第一续流晶闸管的阴极及第二续流晶闸管的阴极相连接，第一导线的一端与第一放电晶闸管的阴极及第一续流晶闸管的阳极相连接，第二导线的一端与第二放电晶闸管的阴极及第二续流晶闸管的阳极相连接，第一导线的另一端、第二导线的另一端及主电容的另一端均接地；
控制电路的输出端与IGBT芯片的栅极、第一放电晶闸管的控制端、第二放电晶闸管的控制端、第一续流晶闸管的控制端及第二续流晶闸管的控制端相连接。
所述充电电路包括交流电源、升压变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一充电电阻、第二充电电阻及储能电容，其中，交流电源与升压变压器的原边绕组相连接，升压变压器副边绕组的一端与第一二极管的正极及第二二极管的负极相连接，变压器副边绕组的另一端与第三二极管的正极及第四二极管的负极相连接，第一二极管的负极及第三二极管的负极均与第一充电电阻的一端相连接，第二二极管的正极及第四二极管的正极均接地，第一充电电阻的另一端与第二充电电阻的一端及储能电容的一端相连接，第二充电电阻的另一端与高压二极管相连接，储能电容的另一端接地。
所述控制电路包括单片机、晶闸管触发电路及IGBT驱动电路，单片机的输出端与晶闸管触发电路的输入端及IGBT驱动电路的输入端相连接，晶闸管触发电路的输出端与第一放电晶闸管的控制端、第二放电晶闸管的控制端、第一续流晶闸管的控制端及第二续流晶闸管的控制端相连接，IGBT驱动电路的输出端正极与IGBT芯片的栅极相连接，IGBT 驱动电路的输出端负极与IGBT芯片的源极相连接。
所述线圈的数目为N个，其中，N/2个线圈沿横向方向依次分布，另外，N/2个线圈沿纵向方向依次分布。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置包括控制电路、充电电路、若干线圈组及若干放电电路，其中，各线圈组包括第一导线及第二导线，其中，第一导线与第二导线缠绕在线圈骨架上，且第一导线与第二导线的缠绕方向相反，本发明在具体工作时，控制电路控制第一续流晶闸管、第二续流晶闸管、第一放电晶闸管及第二放电晶闸管实现第一导线的导通或第二导线的导通，从而避免使用逆变电路等方案来实现线圈电流方向可调而引起驱动与控制电路复杂度提高的问题，降低电路中开关器件的数量。同时可以通过控制电路灵活选择所需线圈组以实现各种刺激模式的切换。
附图说明
图1a为本发明中圆形线圈阵列的结构示意图；
图1b为本发明中方形线圈阵列的结构示意图；
图1c为本发明中直导线阵列的结构示意图；
图2为本发明中直导线阵列的立体示意图；
图3为本发明中充电电路的原理图；
图4为本发明中以单条形或单点刺激模式工作时主电容上电压和线圈中的电流波形图；
图5为本发明以带辅助线圈的单点刺激或单条形刺激模式工作主电流和辅助电流的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置包括控制电路、充电电路、若干线圈及若干放电电路，其中，一个线圈对应一个放电电路，各个线圈均包括第一导线L11及第二导线L12，第一导线L11 与第二导线L12缠绕在线圈骨架上，且第一导线L11与第二导线L12的缠绕方向相反；充电电路经高压二极管D1与IGBT芯片V1的漏极相连接，IGBT芯片V1的源极与主电容C1的一端、第一放电晶闸管SCR11 的阳极、第二放电晶闸管SCR13的阳极、第一续流晶闸管SCR12的阴极及第二续流晶闸管SCR14的阴极相连接，第一导线L11的一端与第一放电晶闸管SCR11的阴极及第一续流晶闸管SCR12的阳极相连接，第二导线L12的一端与第二放电晶闸管SCR13的阴极及第二续流晶闸管 SCR14的阳极相连接，第一导线L11的另一端、第二导线L12的另一端及主电容C1的另一端均接地；控制电路的输出端与IGBT芯片V1的栅极、第一放电晶闸管SCR11的控制端、第二放电晶闸管SCR13的控制端、第一续流晶闸管SCR12的控制端及第二续流晶闸管SCR14的控制端相连接。
所述充电电路包括交流电源AC、升压变压器TX、第一二极管D01、第二二极管D02、第三二极管D03、第四二极管D04、第一充电电阻R0、第二充电电阻R1及储能电容C，其中，交流电源AC与升压变压器TX 的原边绕组相连接，升压变压器TX副边绕组的一端与第一二极管D01 的正极及第二二极管D02的负极相连接，变压器副边绕组的另一端与第三二极管D03的正极及第四二极管D04的负极相连接，第一二极管D01 的负极及第三二极管D03的负极均与第一充电电阻R0的一端相连接，第二二极管D02的正极及第四二极管D04的正极均接地，第一充电电阻 R0的另一端与第二充电电阻R1的一端及储能电容C的一端相连接，第二充电电阻R1的另一端与高压二极管D1相连接，储能电容C的另一端接地。
所述控制电路包括单片机、晶闸管触发电路及IGBT驱动电路，单片机的输出端与晶闸管触发电路的输入端及IGBT驱动电路的输入端相连接，晶闸管触发电路的输出端与第一放电晶闸管SCR11的控制端、第二放电晶闸管SCR13的控制端、第一续流晶闸管SCR12的控制端及第二续流晶闸管SCR14的控制端相连接，IGBT驱动电路的输出端正极与IGBT芯片V1的栅极相连接，IGBT驱动电路的输出端负极与IGBT芯片V1的源极相连接。
本发明中横向线圈和纵向线圈以四路为例，每路线圈都由两个紧贴在一起的绕向相反的导线构成，以实现两种电流方向，通过选择要导通的导线来控制电流方向。为覆盖人的头部，相邻两路线圈之间的间距为 5cm。对刺激区域而言，各路线圈均为环形结构，且上部的线圈为引线，下部的线圈为刺激导线，引线和刺激导线的电流方向相反，引线会在一定程度上削弱刺激导线产生的电场，因此引线和刺激导线的距离越大越好，但增大引线和刺激导线距离会使线圈体积过大，本发明中引线与导线之间的间距为10cm。第一导线L11及第二导线L12均采用直径2mm 的漆包线绕制，匝数3匝，自感约6μH。
本发明的充电过程为：先通过升压变压器TX将交流220V进行升压，再经过整流后对储能电容C充电，最后储能电容C通过IGBT芯片V1 对主电容C1进行充电，第一充电电阻R0及第二充电电阻R1均为40Ω大功率波纹电阻，额定功率为1000W；储能电容C采用4个10000uF、耐压为600V的电容串联。第一放电晶闸管SCR11、第二放电晶闸管 SCR13为快速晶闸管，关断时间在20～40μs范围内，，第一放电晶闸管 SCR11及第二放电晶闸管SCR13的通态平均电流为1000A，重复峰值电压为2000V；第一续流晶闸管SCR12及第二续流晶闸管SCR14为普通晶闸管，型号为Y50KPE，通态平均电流为1200A，重复峰值电压为 2000V。第一导线L11及第二导线L12的自感约为6μH；
当第一放电晶闸管SCR11触发导通时，主电容C1对第一导线L11 放电，当电流过零后，由于LC振荡，第一导线L11将通过第一续流晶闸管SCR12对主电容C1反向充电，当电流再次过零时，第一放电晶闸管SCR11由于承受反向电压而不再导通，因此刺激电流波形为一个周期的衰减正弦波；第二放电晶闸管SCR13触发导通相类似，通过重复触发第一放电晶闸管SCR11及第二放电晶闸管SCR13实现重频经颅磁刺激。由于第一导线L11和第二导线L12绕向相反，只要选择触发导通第一放电晶闸管SCR11及第一续流晶闸管SCR12，或触发导通第二放电晶闸管 SCR13及第二续流晶闸管SCR14，即可实现不同的电流方向。高压二极管D1的作用是防止各主电容C1充电电压不同时发生相互充放电的现象。IGBT芯片V1的漏极与高压二极管D1的阴极相连，IGBT芯片V1 的型号为英飞凌IXGH10N170，漏源耐受电压1700V，IGBT芯片V1导通时充电电路对主电容C1充电，IGBT芯片V1关断时，则停止充电。
控制电路包括单片机、晶闸管触发电路、IGBT驱动电路、电压采样比较电路及工作状态显示电路，控制电路的功能是使各线圈以设定的工作模式进行工作，并显示其工作状态；线圈的工作模式设定具体为导通的线圈、电流的方向、主电容C1充电电压以及刺激电流的重复频率的设定；设定导通的路是通过选择性地驱动各放电电路中的IGBT芯片V1 来实现的；设定电流的方向是由选择性触发导通的路中的晶闸管来实现的；刺激电流的重复频率则是由触发晶闸管的重复频率决定的；而控制主电容C1的充电电压是通过控制IGBT芯片V1的开断实现的。
IGBT驱动电路的输入端与单片机相连，IGBT驱动电路的输出端正极与IGBT芯片V1的栅极相连，IGBT驱动电路的输出端负极与IGBT 芯片V1的源极相连，IGBT驱动电路的作用是将单片机输出的控制信号扩大至15V，使其能够控制IGBT芯片V1的开断。
晶闸管触发电路的输入端均与单片机相连，各晶闸管触发电路的输出端正极分别于与第一放电晶闸管SCR11的控制端、第二放电晶闸管 SCR11的控制端、第一续流晶闸管SCR12的控制端及第二续流晶闸管 SCR12的控制极相连，各晶闸管触发电路的输出端负极分别与第一放电晶闸管SCR11的阴极、第二放电晶闸管SCR11的阴极、第一续流晶闸管SCR12的阴极及第二续流晶闸管SCR12的阴极相连，晶闸管触发电路的作用是扩大单片机输出的控制信号的电流，使其足够触发各晶闸管导通，并实现控制电路和高压电路的电压隔离。
电压采样比较电路主要包括电阻分压器、电压跟随器及数模转换电路，电阻分压器并联在主电容C1的两端，高压臂电阻为1MΩ，低压臂电阻为2.7kΩ，分压比约370，低压臂电阻的两端与电压跟随器的输入端相连，电压跟随器的输出端连接至数模转换电路的模拟信号通道，最后通过数模转换将模拟电压信号转换为数字信号；电压采样比较电路实时采集各主电容C1上的电压，并将各主电容C1上的电压与其电压预设值比较，当任一主电容C1上的电压实测值低于该路的电压预设值，则导通该路放电电路中的IGBT芯片V1，继续给主电容C1充电；当主电容 C1上的电压实测值高于该路的电压预设值，则关断该路放电电路中的 IGBT芯片V1，不再给主电容C1充电。
工作状态显示电路的作用是将导通的放电电路的电流方向、工作电压及刺激频率显示在液晶屏幕上，方便用户观察和切换刺激模式。
本发明的刺激模式可分为点刺激和条形刺激两大类点，刺激主要有单点刺激、多点刺激和带辅助线圈的单点刺激。若导通两个相互垂直的线圈，通以相等的电流，则可以实现单点刺激。当导通多对这样的相互垂直的线圈，则可以实现多点刺激。若在刺激线圈两端分别引入一个辅助线圈，则可实现带辅助线圈的单点刺激。辅助线圈是指与主刺激线圈相邻的平行线圈，辅助线圈的目的是为了提高刺激电场的聚焦度，辅助线圈中的电流称为辅助电流，主线圈中的电流称为主电流，一般辅助电流与主电流方向相反，辅助电流与主电流比值在0.2～0.5范围内。条形刺激包括单条形刺激、双条形刺激和带辅助线圈的单条形刺激。当只导通一个线圈，则可实现单条形刺激，同样也可以引入辅助线圈来提高聚焦度，实现带辅助线圈的单条形刺激。若导通任意两个平行线圈，并通以方向相反的电流，则可以实现双条形刺激。
当本发明以单条形或单点刺激模式工作，且工作电压为800V时，主电容C1上的电压和线圈中的电流波形如图4所示。当本发明以带辅助线圈的单点刺激或单条形刺激模式工作，且主线圈的工作电压为 800V，辅助线圈的工作电压为300V时，主电流和辅助电流的波形如图 5所示，其中，辅助电流与主电流方向相反。
Claims (4)
1.一种基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置，其特征在于，包括控制电路、充电电路、若干线圈及若干放电电路，其中，一个线圈对应一个放电电路，各线圈均包括线圈骨架、第一导线(L11)及第二导线(L12)，第一导线(L11)及第二导线(L12)缠绕在线圈骨架上，且第一导线(L11)与第二导线(L12)的缠绕方向相反；
充电电路经高压二极管(D1)与IGBT芯片(V1)的漏极相连接，IGBT芯片(V1)的源极与主电容(C1)的一端、第一放电晶闸管(SCR11)的阳极、第二放电晶闸管(SCR13)的阳极、第一续流晶闸管(SCR12)的阴极及第二续流晶闸管(SCR14)的阴极相连接，第一导线(L11)的一端与第一放电晶闸管(SCR11)的阴极及第一续流晶闸管(SCR12)的阳极相连接，第二导线(L12)的一端与第二放电晶闸管(SCR13)的阴极及第二续流晶闸管(SCR14)的阳极相连接，第一导线(L11)的另一端、第二导线(L12)的另一端及主电容(C1)的另一端均接地；
控制电路的输出端与IGBT芯片(V1)的栅极、第一放电晶闸管(SCR11)的控制端、第二放电晶闸管(SCR13)的控制端、第一续流晶闸管(SCR12)的控制端及第二续流晶闸管(SCR14)的控制端相连接。
2.根据权利要求1所述的基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置，其特征在于，所述充电电路包括交流电源(AC)、升压变压器(TX)、第一二极管(D01)、第二二极管(D02)、第三二极管(D03)、第四二极管(D04)、第一充电电阻(R0)、第二充电电阻(R1)及储能电容(C)，其中，交流电源(AC)与升压变压器(TX)的原边绕组相连接，升压变压器(TX)副边绕组的一端与第一二极管(D01)的正极及第二二极管(D02)的负极相连接，变压器副边绕组的另一端与第三二极管(D03)的正极及第四二极管(D04)的负极相连接，第一二极管(D01)的负极及第三二极管(D03)的负极均与第一充电电阻(R0)的一端相连接，第二二极管(D02)的正极及第四二极管(D04)的正极均接地，第一充电电阻(R0)的另一端与第二充电电阻(R1)的一端及储能电容(C)的一端相连接，第二充电电阻(R1)的另一端与高压二极管(D1)相连接，储能电容(C)的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置，其特征在于，所述控制电路包括单片机、晶闸管触发电路及IGBT驱动电路，单片机的输出端与晶闸管触发电路的输入端及IGBT驱动电路的输入端相连接，晶闸管触发电路输出端的正极与第一放电晶闸管(SCR11)的控制端、第二放电晶闸管(SCR13)的控制端、第一续流晶闸管(SCR12)的控制端及第二续流晶闸管(SCR14)的控制端相连接，IGBT驱动电路的输出端正极与IGBT芯片(V1)的栅极相连接，IGBT驱动电路的输出端负极与IGBT芯片(V1)的源极相连接。
4.根据权利要求1所述的基于直导线阵列的多通道经颅磁刺激装置，其特征在于，所述线圈的数目为N个，其中，N/2个线圈沿横向方向依次分布，另外，N/2个线圈沿纵向方向依次分布。
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| CN102847231A (zh) * | 2012-04-20 | 2013-01-02 | 南京理工大学 | 一种动态可变多通道经颅磁刺激线圈阵列及其控制方法 |
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| 金芳等.TMS线圈与EEG电极线相...对TMS-EEG信号的影响.《生物医学工程研究》.2016,第35卷(第1期),第1-6页. * |
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