CN109621207A - 一种新型经颅磁刺激系统及其高压充电电源管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种经颅磁刺激系统及其高压充电电源管理方法，所述经颅磁刺激系统包括高压充电电源、储能脉冲电容、高压充电电源对储能脉冲电容充电开关、储能脉冲电容对刺激线圈放电开关、刺激线圈、监测控制模块和上位机，所述高压充电电源含有由超级电容组或电容组或电池组构成的储能供电模块，使得所述高压充电电源瞬时输出能力远大于市电额定输入功率，可支持在单相市电条件下输出高强度、高频率磁刺激脉冲串，而且在没有市电供应的条件下也能通过释放所述储能供电模块中储存的能量来输出经颅磁刺激脉冲；所述高压充电电源管理方法能够管理所述储能供电模块的能量存储和释放，并按照磁刺激脉冲输出能量的需要配置所述高压充电电源的输出。
Description
技术领域
本发明属于经颅磁刺激技术领域，特别涉及一种含超级电容组或电容组或电池组储能供电模块的高压充电电源的经颅磁刺激系统及其高压充电电源管理方法。
背景技术
经颅磁刺激(Transcranial magnetic stimulation，简称TMS)技术是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统，改变皮质神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术。TMS具有无创、无痛、安全的特点，可用于刺激脑神经、神经根及外周神经。目前广泛用在神经科学、脑科学研究领域和临床疾病的诊断和治疗。临床应用多采取脉冲序列模式，即在固定刺激强度下，以一定频率重复输出一定数量的磁刺激脉冲，然后间歇一段时间，并以固定周期重复这种磁刺激脉冲串输出和间歇过程，直到总的磁刺激脉冲数达到预先设定数量，图1展示了临床上一种应用序列模式，磁刺激的磁场强度为1.2特斯拉，重复脉冲输出频率为10Hz，持续4秒钟输出40个磁刺激脉冲后间歇56秒钟，总的磁刺激脉冲个数为4000个。
如图2所示，现有经颅磁刺激系统通过将市电变换为合适的高压充电电源，对储能脉冲电容充电到目标电压后，储能脉冲电容经刺激线圈放电输出脉冲磁场。
经颅磁刺激系统有两个基本指标：磁刺激磁场强度和脉冲重复输出频率。在刺激线圈确定的条件下，磁刺激磁场强度主要取决于每次储能脉冲电容放电前所储存的能量；磁刺激磁场强度确定的条件下脉冲重复输出频率则主要决定于高压充电电源的输出功率。由于经颅磁刺激系统通常以脉冲序列模式工作，使得经颅磁刺激系统具有如下工况特点：在磁刺激脉冲串输出期间功率高，在间歇期用电功率接近为零；一般整个工作周期内平均功率约为在脉冲串输出期间功率的1/10。
在单相市电条件下，现有经颅磁刺激系统的高压充电电源最大输出功率一般为3kW～4kW，只能支持磁刺激磁场强度为1.5特斯拉时，重复输出频率25Hz以内的经颅磁刺激脉冲串，受限于单相市电条件下所配备的电力容量，现有经颅磁刺激系统无法输出磁刺激磁场强度和脉冲重复输出频率同时更高的磁刺激脉冲串。
本发明正是基于上述考虑，通过增加含超级电容组或电容组或电池组的储能供电模块，以达到在脉冲串输出期间提供更高的输出功率的目的，同时能够平滑经颅磁刺激系统的用电负荷，并且能够在断电状况下利用储能供电模块所存储的能量输出一定数量的经颅磁刺激脉冲。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经颅磁刺激系统，提供含有由超级电容组或电容组或电池组的储能供电模块的高压充电电源，使用此含有储能供电模块的高压充电电源为储能脉冲电容充电，使得所述高压充电电源的瞬时输出功率远大于所述高压充电电源的输入功率，使得在单相市电条件下所述经颅磁刺激系统能够输出磁刺激磁场强度和脉冲重复输出频率同时更高的磁刺激脉冲串，并且降低了经颅磁刺激系统对单相市电最大输入功率的要求。本发明还提出一种高压充电电源管理方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
经颅磁刺激系统由包括高压充电电源、储能脉冲电容、高压充电电源对储能脉冲电容充电开关、储能脉冲电容对刺激线圈放电开关、刺激线圈、监测控制模块和上位机组成，其中高压充电电源含有超级电容组或电容组或电池组的储能供电模块。监测控制模块控制所述高压充电电源实现对储能脉冲电容充电，待储能脉冲电容电压达到目标电压，控制储能脉冲电容对刺激线圈放电开关完成储能脉冲电容对刺激线圈脉冲放电。
高压充电电源可由与市电连接的直流电源和储能供电模块组成。
高压充电电源可由与市电连接的直流电源和储能供电模块以及DC/DC升压变换模块组成。
高压充电电源可由与市电连接的直流电源和储能供电模块以及选择开关电路组成。所述储能供电模块的最大额定输出功率大于所述与市电连接的直流电源的最大输出功率，所述选择开关电路包括由单体开关K1和单体开关K2组成的切换开关，所述切换开关的状态决定是否启用储能模块对外供电，所述单体开关K1的一端与所述高压充电电源输出正极电连接，所述单体开关K1另一端经过限流电阻R1串联及经过防反二极管串联与所述与市电连接的直流电源的正极电连接，所述单体开关K2的一端与所述高压充电电源输出正极电连接，所述单体开关K2另一端经过限流电阻R2串联与所述储能供电模块的正极电连接，所述与市电连接的直流电源的负极与所述储能供电模块的负极电连接，所述选择开关电路决定是否启用所述储能供电模块。
储能供电模块可为超级电容组或电容组或电池组。
一种经颅磁刺激系统的高压充电电源管理方法：
(1)当高压充电电源不输出时，切换开关状态为所述单体开关K1断开、所述单体开关K2断开，与市电连接的直流电源和储能供电模块都不对外供电；
(2)当高压充电电源输出且经颅磁刺激系统需要峰值功率低于设定值时，切换开关状态为所述单体开关K1闭合、所述单体开关K2断开，与市电连接的直流电源对外供电，储能供电模块不对外供电；
(3)当高压充电电源输出且经颅磁刺激系统需要峰值功率高于设定值时，若储能供电模块电压值大于预设值，切换开关状态为所述单体开关K1断开，所述单体开关K2闭合，与市电连接的直流电源不对外供电，储能供电模块对外供电；
(4)当高压充电电源输出且经颅磁刺激系统需要峰值功率高于设定值时，若储能供电模块电压值不大于预设值，切换开关状态为所述单体开关K1闭合，所述单体开关K2闭合，与市电连接的直流电源和储能供电模块共同对外供电。
与现有技术相比，本发明采用含超级电容组或电容组或电池组的储能供电模块的高压充电电源，使得所述高压充电电源的瞬时输出功率能力远大于所述高压充电电源的输入功率，降低了经颅磁刺激系统最大输入功率的要求。所述高压充电电源输出能力不受市电输入限制，可支持在单相市电条件下输出高强度、高频率磁刺激脉冲串，在没有市电供应的情形下也能通过所述储能供电模块放电完成一定数量的刺激脉冲串输出。本发明还提出了一种经颅磁刺激系统的高压充电电源的管理方法，便于按需配置所述高压充电电源的输出能力。
附图说明
图1为经颅磁刺激常用的一种脉冲序列工作模式示意图；
图2为现有的经颅磁刺激系统原理图；
图3为本发明的一个实施例的系统原理图
图4为本发明的一个实施方式的高压充电电源组成示意图；
图5为本发明的另一个实施方式的高压充电电源组成示意图；
图6为本发明的一个实施方式的高压充电电源内部电源切换电路图。
具体实施方式
下面结合说明书实施例和说明书附图对本发明进行进一步说明。
如图3所示，在一个实施例中，本发明所述的经颅磁刺激系统，包括高压充电电源、储能脉冲电容、高压充电电源对储能脉冲电容充电开关、储能脉冲电容对刺激线圈放电开关、刺激线圈、监测控制模块和上位机，其中所述高压充电电源含有超级电容组或电容组或电池组的储能供电模块。
在一个实施方式中，所述高压充电电源对储能脉冲电容充电开关采用IGBT或MOSFET等电子开关及驱动电路实现，所述高压充电电源对储能脉冲电容充电开关用于控制高压充电电源对所述储能脉冲电容充电。
所述储能脉冲电容对刺激线圈放电开关由晶闸管SCR及驱动电路实现，所述储能脉冲电容对刺激线圈放电开关用于控制储能脉冲电容对刺激线圈进行脉冲放电。
所述监测控制模块用于对系统其它部分进行监测控制。比如对所述储能脉冲电容端电压进行测量，对系统各部分温度进行测量，对各开关进行控制，与上位机进行通信等。具体地，所述监测控制模块可包括一个或多个MCU、FPGA及其它外围电路。
所述监测控制模块接到所述上位机下发的磁刺激输出命令，所述监测控制模块监测所述储能脉冲电容端电压并控制所述高压充电电源对所述储能脉冲电容充电开关实现所述高压充电电源对所述储能脉冲电容充电到目标电压值，然后控制所述储能脉冲电容对刺激线圈放电开关实现所述储能脉冲电容对所述刺激线圈脉冲放电，实现输出一次磁刺激脉冲。
由于采用了含有超级电容组或电容组或电池组的储能供电模块的高压充电电源，所述高压充电电源的输出功率远大于所述高压充电电源的市电输入功率，所述高压充电电源的输出功率只由所选用的储能供电模块的性能决定，如果选用1500V/20A的储能供电模块，所述经颅磁刺激系统可以输出脉冲磁刺激强度1.5特斯拉，脉冲重复输出频率达到100Hz的高频率高强度经颅磁刺激脉冲串，可用于性能要求更高的磁刺激应用场合。例如磁刺激序列采用磁刺激脉冲强度为1.5特斯拉，脉冲重复输出频率100Hz，连续输出4秒，间歇56秒的磁刺激序列输出模式，则此时的所述经颅磁刺激系统的平均功率约为3kW。也就是说，所述经颅磁刺激系统在采用单相市电条件，以约3kW的平均功率对所述高压充电电源供电，可长期使得所述经颅磁刺激系统可以输出脉冲磁刺激强度1.5特斯拉，脉冲重复输出频率100Hz，连续输出4秒，间歇56秒的磁刺激序列输出模式，使所述经颅磁刺激系统的性能指标数倍于现有经颅磁刺激系统，大大扩宽了经颅磁刺激系统的应用范围和应用领域。
图4示出了本发明的经颅磁刺激系统的高压充电电源的一种实施方式，所述经颅磁刺激系统的高压充电电源由与市电连接的直流电源和储能供电模块组成，所述与市电连接的直流电源对所述储能供电模块充电以使所述储能供电模块保持必要的荷电状态。所述储能供电模块的输出功率能力和输出电压水平满足经颅磁刺激系统需求，使得高压充电电源的输入端只需要提供满足所述经颅磁刺激系统的平均功率，该所述平均功率远小于所述经颅磁刺激系统在脉冲串输出期间的峰值功率。
图5示出了本发明的经颅磁刺激系统的高压充电电源的另一种实施方式，所述经颅磁刺激系统的高压充电电源由与市电连接的直流电源和储能供电模块和DC/DC升压变换模块组成，所述与市电连接的直流电源对所述储能供电模块充电以使所述储能供电模块保持必要的荷电状态。所述储能供电模块的输出功率能力满足经颅磁刺激系统需求，DC/DC升压变换模块用于将所述储能供电模块输出电压水平变换到适当的电压水平以便于对储能脉冲电容充电。使得所述高压充电电源的输入端只需提供满足所述经颅磁刺激系统的平均功率，该所述平均功率远小于所述经颅磁刺激系统在脉冲串输出期间的峰值功率。
图6示出了本发明的经颅磁刺激系统的高压充电电源的又一种实施方式，所述高压充电电源由与市电连接的直流电源、储能供电模块和选择开关电路组成，所述选择开关电路包括由单体开关K1和单体开关K2组成的切换开关，所述储能供电模块的最大额定输出功率大于所述与市电连接的直流电源的最大输出功率，通过所述切换开关的选择可控制是否启用储能供电模块，当切换开关中的单体开关K1和单体开关K2都断开时，所述高压充电电源不输出；当单体开关K1闭合而单体开关K2断开时，所述储能供电模块不输出，所述高压充电电源仅通过与市电连接的直流电源直接对所述储能脉冲电容充电；当单体开关K1和单体开关K2都闭合时，所述高压充电电源通过与市电连接的直流电源和储能供电模块共同对储能脉冲电容充电，同时所述与市电连接的直流电源对所述储能供电模块充电；当单体开关K1断开而单体开关K2闭合时，所述高压充电电源依靠所述储能供电模块的剩余能量完成对储能脉冲电容充电。KPC为高压充电电源对储能脉冲电容充电开关。一种经颅磁刺激系统的高压充电电源管理方法，通过切换开关灵活配置是否启用储能供电模块，使得所述经颅磁刺激系统的高压充电电源输出可按需配置，所述方法包括如下步骤：
(1)当不用高压充电电源输出时，切换开关状态为单体开关K1断开、单体开关K2断开，与市电连接的直流电源和储能供电模块都不对外供电；
(2)当高压充电电源输出且经颅磁刺激系统需要峰值功率低于设定值时，切换开关状态为单体开关K1闭合、单体开关K2断开，与市电连接的直流电源对外供电，储能供电模块不对外供电；
(3)当高压充电电源输出且经颅磁刺激系统需要峰值功率高于设定值时，若储能供电模块电压大于预设值，切换开关状态为单体开关K1断开，单体开关K2闭合，与市电连接的直流电源不对外供电，储能供电模块对外供电；
(4)当高压充电电源输出且经颅磁刺激系统需要峰值功率高于设定值时，若储能供电模块电压不大于预设值，切换开关状态为单体开关K1闭合，单体开关K2闭合，与市电连接的直流电源和储能供电模块共同对外供电。
以上仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可想到变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种经颅磁刺激系统，包括高压充电电源、储能脉冲电容、高压充电电源对储能脉冲电容充电开关、储能脉冲电容对刺激线圈放电开关、刺激线圈、监测控制模块和上位机，所述监测控制模块监测所述储能脉冲电容端电压并控制所述高压充电电源对储能脉冲电容充电开关实现所述高压充电电源对所述储能脉冲电容充电到目标电压值，然后控制所述储能脉冲电容对刺激线圈放电开关实现所述储能脉冲电容对所述刺激线圈脉冲放电，实现一次经颅磁刺激脉冲放电，其特征在于，所述高压充电电源含有储能供电模块。
2.如权利要求1所述的经颅磁刺激系统的高压充电电源，其特征在于，所述高压充电电源由与市电连接的直流电源和储能供电模块组成，所述与市电连接的直流电源对所述储能供电模块充电以使所述储能供电模块保持必要的荷电状态，所述储能供电模块通过高压充电电源对储能脉冲电容充电开关对所述储能脉冲电容充电。
3.如权利要求1所述的经颅磁刺激系统的高压充电电源，其特征在于，所述高压充电电源由与市电连接的直流电源和储能供电模块及DC/DC升压变换模块组成，所述与市电连接的直流电源对所述储能供电模块充电以使所述储能供电模块保持必要的荷电状态，所述DC/DC升压变换模块将所述储能供电模块的输出电压变换到适当的电压水平以便于对储能脉冲电容充电。
4.如权利要求1所述的经颅磁刺激系统的高压充电电源，其特征在于，所述高压充电电源由与市电连接的直流电源、储能供电模块和选择开关电路组成，所述储能供电模块的最大额定输出功率大于所述与市电连接的直流电源的最大输出功率，所述选择开关电路包括由单体开关K1和单体开关K2组成的切换开关，单体开关K1的一端与所述高压充电电源输出正极电连接，单体开关K1另一端经过限流电阻R1串联及经过防反二极管串联与所述与市电连接的直流电源的正极电连接，单体开关K2的一端与所述高压充电电源输出正极电连接，单体开关K2另一端经过限流电阻R2串联与所述储能供电模块的正极电连接，所述与市电连接的直流电源的负极与所述储能供电模块的负极电连接，所述选择开关电路选择是否启用所述储能供电模块。
5.如权利要求2-4之一所述的经颅磁刺激系统的高压充电电源，其特征在于，所述高压充电电源的储能供电模块为超级电容组。
6.如权利要求2-4之一所述的经颅磁刺激系统的高压充电电源，其特征在于，所述高压充电电源的储能供电模块为电容组。
7.如权利要求2-4之一所述的经颅磁刺激系统的高压充电电源，其特征在于，所述高压充电电源的储能供电模块为电池组。
8.一种经颅磁刺激系统的高压充电电源管理方法，采用如权利要求4所述的经颅磁刺激系统的高压充电电源，其特征在于，管理方法为：
(1)当高压充电电源不输出时，切换开关状态为单体开关K1断开、单体开关K2断开，与市电连接的直流电源和储能供电模块都不对外供电；
(2)当高压充电电源输出且经颅磁刺激系统需要峰值功率低于设定值时，切换开关状态为单体开关K1闭合、单体开关K2断开，与市电连接的直流电源对外供电，储能供电模块不对外供电；
(3)当高压充电电源输出且经颅磁刺激系统需要峰值功率高于设定值时，若储能供电模块电压值大于预设值，切换开关状态为单体开关K1断开，单体开关K2闭合，与市电连接的直流电源不对外供电，储能供电模块对外供电；
(4)当高压充电电源输出且经颅磁刺激系统需要峰值功率高于设定值时，若储能供电模块电压值不大于预设值，切换开关状态为单体开关K1闭合，单体开关K2闭合，与市电连接的直流电源和储能供电模块共同对外供电。
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Application publication date: 20190416 |