CN110975152A - 一种可连续工作的磁刺激装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可连续工作的磁刺激装置及方法，包括：中空导线绕制而成的磁刺激线圈和冷媒循环单元；导线的中空部分流通有低温冷媒制剂，低温冷媒制剂在导线的中空部分流通，带走磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热；冷媒循环单元用于对所述低温冷媒制剂进行循环，吸收掉低温冷媒制剂从磁刺激线圈吸收的焦耳热，使得所述磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热被循环吸收，以保证磁刺激线圈可以连续工作。本发明实现设备一体化，不需要将刺激线圈浸泡在冷油中，不会增大设备体积，也易于刺激线圈的灵活移动；与传统风冷方式相比，本发明中冷媒从内部与发热的铜线充分接触，降温效果会更好，没有噪音，不会增加被刺激对象的不适感。

Description

一种可连续工作的磁刺激装置及方法

技术领域

本发明涉及磁刺激装置技术领域，更具体地，涉及一种可连续工作的磁刺激装置及方法。

背景技术

重复性经颅磁刺激(Repetitively Transcranial Magnetic Stimulation，rTMS)是一种新型的非侵入生物刺激技术。刺激线圈通常置于头颅上方，聚焦点正对靶区。刺激线圈内按一定重复频率通入的交变电流在周围空间产生感应磁场，该感应磁场在大脑内诱导产生感应电场并改变神经细胞的膜电位，起到神经调节的作用。

由于大脑结构复杂，颅内非各向同性的均匀介质且磁导率、电导率较小，感应电场在颅内衰减迅速，而精神类疾病的病灶区域通常具有一定深度，并不在浅头皮层，所以若想在目标靶区获得足够强度的感应电场，实现神经调节的作用，TMS中使用的刺激电流通常需要较高幅值。由于刺激线圈的电阻不可忽略，因此无论是临床治疗还是科学研究的过程中，刺激线圈都存在发热严重的问题。一旦刺激线圈温升超过安全阈值，经颅磁刺激系统必须暂停工作，大大降低磁刺激系统工作效率。

传统磁刺激线圈的降温方法主要有风冷降温和油浸式降温。风冷降温效果并不理想，且风扇引起的噪音会干扰患者情绪，影响治疗效果。油浸式降温方法，不利于刺激线圈的灵活移动，对刺激定位造成极大不便。

综上，解决经颅磁刺激仪中的线圈发热问题，对实现经颅磁刺激仪的连续工作有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决传统磁刺激线圈设计方法导致刺激线圈降温效果不佳、影响刺激线圈定位效果、产生噪音以及导致磁刺激线圈无法连续工作的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种可连续工作的磁刺激装置，包括：中空导线绕制而成的磁刺激线圈和冷媒循环单元；

所述导线的中空部分流通有低温冷媒制剂，所述低温冷媒制剂在导线的中空部分流通，带走所述磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热；

所述冷媒循环单元用于对所述低温冷媒制剂进行循环，吸收掉低温冷媒制剂从磁刺激线圈吸收的焦耳热，使得所述磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热被循环吸收，以保证所述磁刺激线圈可以连续工作。

可选地，所述冷媒循环单元包括：压缩机、冷凝器、冷媒储藏罐以及冷却风扇；

所述冷媒储藏罐用于提供低温冷媒制剂，冷凝器的输出连接冷媒储藏罐的输入，冷媒储藏罐的输出通过膨胀阀与刺激线圈中空部分连接；

所述压缩机为低温冷媒制剂在管道中的循环流动提供动力，液态雾状冷媒制剂从磁刺激线圈吸收的焦耳热后变冷媒蒸气；低温低压的冷媒蒸气从刺激线圈流出后进入压缩机，压缩机将其压缩为高温高压气体，并排出压缩机；压缩机出口连接冷凝器的入口，冷凝器外部正对着冷却风扇，高温高压气体从压缩机流入冷凝器后由于温度、压力的降低，在冷凝器处液化放热，冷凝成液体；所述冷却风扇对所述冷凝器进行降温；

所述冷凝器输出的液体低温冷媒制剂流入冷媒储藏罐，冷媒储藏罐输出的低温冷媒制剂通过膨胀阀流通到所述刺激线圈的中空部分，构成流通循环的冷却通道，以对所述磁刺激线圈进行循环冷却降温。

可选地，导线的中空部分管道的直径2r需满足如下公式：

其中，流速V_w与低温冷媒制的状态和管道压力有关，G_w为管道中的流量。

可选地，

其中，C_p表示低温冷媒制剂的比热容，ΔT为低温冷媒制剂流经磁刺激线圈前后的温升，Q_w为磁刺激线圈的发热量。

可选地，所述磁刺激线圈的结构如下：

通过耐高温的软管将低温冷媒制剂导入所述磁刺激线圈的中空部分，低温冷媒制剂流入所述磁刺激线圈，吸收热量后的冷媒制剂流出磁刺激线圈；

所述磁刺激线圈的冷媒制剂流入和流出端口是固定的，磁刺激线圈可以自由放置，冷媒循环单元的流入和流出接口与磁刺激线圈对应的冷媒制剂流入流出端口连接即可。

第二方面，本发明提供一种可连续工作的磁刺激方法，包括如下步骤：

在由中空导线绕制而成的磁刺激线圈的中空部分流通低温冷媒制剂；

通过低温冷媒制剂在导线的中空部分流通，带走所述磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热；

通过循环对吸收焦耳热后的冷媒制剂降温，使得所述磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热被循环吸收，以保证所述磁刺激线圈可以连续工作。

可选地，导线的中空部分管道的直径2r需满足如下公式：

其中，流速V_w与低温冷媒制的状态和管道压力有关，G_w为管道中的流量。

可选地，

其中，C_p表示低温冷媒制剂的比热容，ΔT为低温冷媒制剂流经磁刺激线圈前后的温升，Q_w为磁刺激线圈的发热量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种可连续工作的磁刺激装置及方法，其刺激线圈由中空导线绕制而成，低温冷媒制剂在导线中空部分流通，带走磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热，并经由压缩机、冷凝器等流回冷媒储藏罐，构成内冷循环单元。本发明使得磁刺激仪可以边工作边散热，以保证磁刺激线圈温度维持在安全阈值内，保证磁刺激仪器可以连续工作。本发明实现设备一体化，不需要将刺激线圈浸泡在冷油中，不会增大设备体积，也易于刺激线圈的灵活移动；与传统风冷方式相比，本发明中冷媒从内部与发热的铜线充分接触，降温效果会更好，没有噪音，不会增加被刺激对象的不适感。

附图说明

图1为本发明提供的可连续工作经颅磁刺激系统中的刺激线圈三维图以及剖面图；

图2为本发明提供的可连续工作经颅磁刺激系统中的刺激线圈绕制示意图；

图3为本发明提供的可连续工作经颅磁刺激系统降温原理图；

图4为本发明提供的可连续工作经颅磁刺激系统结构图；

图5为本发明提供的可连续工作经颅磁刺激系统控制模块内部框图；

图6为本发明提供的可连续工作的经颅磁刺激仪装置简明示意图；

图7为本发明提供的可连续工作经颅磁刺激系统主控显示器面板示意图；

图8为本发明提供的低温冷媒制剂不同流速Q_w时磁刺激线圈温升示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在传统经颅磁刺激仪中，由于刺激线圈电阻不可忽略，刺激电流幅值较高，使用过程中刺激线圈上会产生大量焦耳热，使线圈温度超出安全阈值，降低刺激效率无法实现连续工作。针对现有的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种可连续工作的经颅磁刺激系统设计方法，旨在解决传统设计方法导致刺激线圈降温效果不佳、影响刺激线圈定位、产生噪音以及导致磁刺激线圈无法连续工作的问题。

图1为本发明提供的可连续工作经颅磁刺激系统中的刺激线圈三维图以及XZ平面剖面图，本申请以八字形线圈为例，需要强调的是，本申请实施例提供的颅磁刺激仪中的具体线圈结构包括但不限于本申请中的结构。可连续工作经颅磁刺激系统中的刺激线圈由中空导线绕制而成，中空部分用于流通低温冷媒制剂。如图1中(1)所示，刺激线圈通常置于人体头部上方，由于冷媒制剂在刺激线圈内部流通，因此刺激线圈可以灵活移动，不会造成刺激线圈定位困难。如图1中(2)所示，刺激线圈由中空导体线径为d，中空部分直径为2r，刺激线圈内径为R₁，被绕制成a×b的多匝多层结构，图中蓝色透明部分即为流通的低温冷媒制剂。低温冷媒制剂在刺激线圈中气化吸热，带走磁刺激过程中产生的焦耳热量，并流回小型冷媒储藏罐，构成内冷循环。

图2为本发明提供的可连续工作经颅磁刺激系统中的刺激线圈绕制示意图，本申请以单层八字形线圈为例。如图2所示，黑色粗实线表示绕制刺激线圈的空心铜线，灰色实线表示在刺激线圈中空部分流通的液体，刺激线圈中心下方灰色阴影部分表示线圈下方形成的目标刺激靶区。利用两个铜片夹将刺激线圈与放电模块连接，对刺激线圈施加激励，在刺激线圈周围空间产生时变的空间电磁场；利用耐高温的软管将冷媒导入刺激线圈铜线中空部分，低温液体冷媒流入刺激线圈，低温低压冷媒制剂(气态)流出刺激线圈，带走刺激线圈工作过程中的焦耳热。

具体地，与传统油浸式冷却方式相比，本申请提供的设计实现设备一体化，不需要将刺激线圈浸泡在冷油中，不会增大设备体积，也易于刺激线圈的灵活移动；与传统风冷方式相比，本申请的设计中冷媒从内部与发热的铜线充分接触，降温效果会更好，没有噪音，不会增加被刺激对象的不适感。特别的，由于本系统可以实现边工作边降温，并可以通过控制冷媒制剂的流量调节制冷效果，因此可实现连续工作。

图3为本发明提供的可连续工作经颅磁刺激系统的降温原理图。根据热力学定律可知，当温度高于沸点时，液体会从周围环境吸热气化，而当温度降低时，气体会通过放热液化。如图1所示，可连续工作经颅磁刺激系统中的降温组件主要包括小型压缩机、冷凝器、小型冷媒储藏罐、冷凝器以及冷却风扇。治疗过程中的焦耳热使得经颅磁刺激仪中的刺激线圈温度升高，低温冷媒流经刺激线圈，并带走刺激线圈产生的热量，使线圈降温。具体的降温过程为：

(1)压缩机为冷媒剂在管道中的循环流动提供动力，压缩机为低温冷媒制剂在管道中的循环流动提供动力，液态雾状冷媒制剂从磁刺激线圈吸收的焦耳热后变冷媒蒸气；低温低压的冷媒蒸气从刺激线圈流出后进入压缩机，压缩机将其压缩为高温高压气体，并排出压缩机；压缩机出口连接冷凝器的入口，冷凝器外部正对着散热风扇，高温高压气体从压缩机流入冷凝器后由于温度、压力的降低，在冷凝器处液化放热，冷凝液体。

(2)在冷凝器中的冷媒气体由于温度和压力骤降而液化并放出热量，冷却风扇通过增加空气对流使新鲜空气带走这一部分热量，并使冷凝器周围的空气冷却下来。

(3)温度和压力较高的液态冷媒经过膨胀阀后，体积变大，呈低温低压的液态，排出膨胀阀后，经由液体管路到达刺激线圈。

(4)由于使用过程中刺激线圈发热至远高于冷媒沸点的温度，因此液态冷媒在流经刺激线圈时，迅速气化，并吸收周围空气中的大量热量，使得刺激线圈降温。

(5)气态冷媒制剂从刺激线圈流出后，再次被压缩机抽取，回到步骤(1)，继续下一个降温循环。

本系统的热负荷主要为刺激线圈传入的热量，降温的性能系数由制冷量和制冷压缩机的功耗计算获得，相关计算方法如下：

假设刺激电流幅值为I，刺激电流脉宽为T₁，刺激电流时域表达式为i(t)。刺激线圈电阻为R，治疗过程中的重复刺激频率为1/T₂，根据周期电流有效值的定义，可得TMS刺激电流的有效值I_有效满足：

在时长为t的治疗过程中刺激线圈产生的焦耳热功率Q为：

假设冷媒剂在流经刺激电流前后的温升为ΔT，冷却液吸收热量为刺激线圈的发热量Q_w，则刺激电流中空管道中的流量G_w为：

其中，C_p表示冷媒剂的比热容，常见的冷媒剂包括去离子水，氟利昂等。

冷媒剂的流量与其在冷却管道中的流动状况有关，假设冷媒剂的流动速度为V_w，则冷却管道的设计直径2r应满足：

其中，流速V_w与冷媒剂状态、管道压力等因素有关。

图4为本发明提供的可连续工作的经颅磁刺激系统结构图，其中，电源部分为工频交流电网，为系统提供能量。刺激线圈导线实体部分通过铜夹与放电模块连接，导线中空部分通过耐高温软管与增压泵冷媒输出端连接。磁刺激系统中充电模块由整流滤波电路、串联谐振电路、升压变压器、输出整流电路等，其主要功能是产生高压直流电为储能电容充电；放电模块由储能电容、放电开关以及刺激线圈构成，其主要功能是利用放电开关控制电路的通断，通过储能电容向刺激线圈放电，在刺激线圈内产生时变的刺激电流；计算机控制模块输出刺激开关、制冷开关、三态压力开关以及冷凝器冷却风扇开关等信号。图中管道旁的黑色箭头表示冷却循环的流向，管道内填充颜色表示管道内冷媒的温度。根据临床医疗的需求，为保证刺激线圈能够长时间工作甚至不间断工作，刺激开关和制冷开关同时启动工作，使得刺激线圈保持在较低的工作温度。三态压力开关是一个保护开关，它包括一个高低压开关和一个中压开关。当出现冷媒泄露、冷媒余量不足或冷媒储藏罐异常等问题时，低压开关切断，以避免压缩机损坏；当冷凝压力偏高时，中态开关使得冷凝风扇加速散热，降低高压压力，改善冷却效果；当系统高压异常时，高压开关切断压缩机控制电路，停止工作，防止爆炸。如上文所述，冷媒在流通管道内的流速与管道压力有关，除了压缩机，本系统在冷媒进入刺激线圈和小型冷媒储藏罐之间安装增压泵，当散热要求较高时，可加快刺激线圈内的冷媒流动速度，提高降温效率。

图5为本发明提供的控制模块内部框图。由于刺激线圈电阻以及杂散电阻导致能量损耗，一次刺激脉冲输出后，放电模块中储能电容上的电压会有小幅跌落，若要保证刺激参数稳定，储能电容需要再次充电。在重复刺激过程中，单个刺激脉冲产生后，将刺激电流幅值I和脉宽T₁作为反馈信号分别和预设值I_p和T_1p作计算，在刺激间隙调节充电参数，保证下一个刺激脉冲的参数符合预设目标要求。同理，在制冷系统中将刺激线圈输出端温度T等制冷参数作为反馈信号输入控制模块，通过目标温度T_p和T的比较，计算得到符合温度要求的制冷参数，并与实际条件下压缩机可耐受的最大压力P_max、冷媒流速V_max、冷媒安全余量R_safe进行校验，若在可耐受的安全范围内，则按照该制冷参数控制和调节下一次的制冷过程，若目标压力过大，流速过快或者冷媒余量不足，则整个系统停止工作，并在显示屏上给出相应提醒。

图6为本发明提供的可连续工作的经颅磁刺激仪装置简明示意图。在治疗过程中，患者坐在治疗椅上，位于刺激线圈下方，线圈的刺激聚焦点正对目标靶区。图6中①和②表示两个可调节的支撑架，分别用于放置刺激线圈和冷媒流通管道。在治疗开始时，医护人员通过测试反映，调节线圈的放置高度和角度，找到最佳刺激点，并利用支撑架①固定，并利用支撑架②放置冷媒流通管道。如图6所示，由于冷媒在刺激线圈内部流通，因此刺激线圈可以灵活移动，不会造成刺激线圈定位困难。

图7为本发明提供的主控显示器面板示意图，不仅显示主要刺激参数也需注明冷媒制剂的流速、温度以及余量等关键参数，方便调节降温参数。由于采取刺激与降温同时进行的工作模式，刺激线圈的温升可保持在安全裕量内，因此可实现经颅磁刺激系统的连续工作。

图8为本发明提供的低温冷媒制剂不同流速Q_w时磁刺激线圈温升示例图。假设冷媒制剂为初温为283.5K的去离子水，磁刺激线圈初温为298.15K。当刺激电流幅值I＝3500A，重复频率f＝20Hz时，对刺激线圈连续施加3000个脉冲刺激，Q_w＝{0.5cm³/s，1cm³/s，1.5cm³/s，2cm³/s，2.5cm³/s，3cm³/s，3.5cm³/s，4cm³/s}时刺激线圈的温度变化与不考虑降温的同等刺激条件下的传统八字形线圈的温度变化比较如图8所示。

如图8可知：(1)相比于不考虑降温的传统八字形线圈，本发明提供的降温效果显著；(2)冷媒制剂流量的增加使得刺激线圈的热平衡温度降低；(3)当Q_w＝2.5cm³/s，本经颅磁刺激仪的刺激线圈即可保持初始温度，实现连续工作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可连续工作的磁刺激装置，其特征在于，包括：中空导线绕制而成的磁刺激线圈和冷媒循环单元；

所述导线的中空部分流通有低温冷媒制剂，所述低温冷媒制剂在导线的中空部分流通，带走所述磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热；

所述冷媒循环单元用于对所述低温冷媒制剂进行循环，吸收掉低温冷媒制剂从磁刺激线圈吸收的焦耳热，使得所述磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热被循环吸收，以保证所述磁刺激线圈可以连续工作。

2.根据权利要求1所述的磁刺激装置，其特征在于，所述冷媒循环单元包括：压缩机、冷凝器、冷媒储藏罐以及冷却风扇；

所述冷媒储藏罐用于提供低温冷媒制剂，冷凝器的输出连接冷媒储藏罐的输入，冷媒储藏罐的输出通过膨胀阀与刺激线圈中空部分连接；

所述压缩机为低温冷媒制剂在管道中的循环流动提供动力，液态雾状冷媒制剂从磁刺激线圈吸收的焦耳热后变冷媒蒸气；低温低压的冷媒蒸气从刺激线圈流出后进入压缩机，压缩机将其压缩为高温高压气体，并排出压缩机；压缩机出口连接冷凝器的入口，冷凝器外部正对着冷却风扇，高温高压气体从压缩机流入冷凝器后由于温度、压力的降低，在冷凝器处液化放热，冷凝成液体；所述冷却风扇对所述冷凝器进行降温；

所述冷凝器输出的液体低温冷媒制剂流入冷媒储藏罐，冷媒储藏罐输出的低温冷媒制剂通过膨胀阀流通到所述刺激线圈的中空部分，构成流通循环的冷却通道，以对所述磁刺激线圈进行循环冷却降温。

3.根据权利要求2所述的磁刺激装置，其特征在于，导线的中空部分管道的直径2r需满足如下公式：

其中，流速V_w与低温冷媒制的状态和管道压力有关，G_w为管道中的流量。

4.根据权利要求3所述的磁刺激装置，其特征在于，

其中，C_p表示低温冷媒制剂的比热容，ΔT为低温冷媒制剂流经磁刺激线圈前后的温升，Q_w为磁刺激线圈的发热量。

5.根据权利要求1至4任一项所述的磁刺激装置，其特征在于，所述磁刺激线圈的结构如下：

通过耐高温的软管将低温冷媒制剂导入所述磁刺激线圈的中空部分，低温冷媒制剂流入所述磁刺激线圈，吸收热量后的冷媒制剂流出磁刺激线圈；

所述磁刺激线圈的冷媒制剂流入和流出端口是固定的，磁刺激线圈可以自由放置，冷媒循环单元的流入和流出接口与磁刺激线圈对应的冷媒制剂流入流出端口连接即可。

6.一种可连续工作的磁刺激方法，其特征在于，包括如下步骤：

在由中空导线绕制而成的磁刺激线圈的中空部分流通低温冷媒制剂；

通过低温冷媒制剂在导线的中空部分流通，带走所述磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热；

通过循环对吸收焦耳热后的冷媒制剂降温，使得所述磁刺激线圈工作过程中产生的焦耳热被循环吸收，以保证所述磁刺激线圈可以连续工作。

7.根据权利要求6所述的磁刺激方法，其特征在于，导线的中空部分管道的直径2r需满足如下公式：

其中，流速V_w与低温冷媒制的状态和管道压力有关，G_w为管道中的流量。

8.根据权利要求7所述的磁刺激方法，其特征在于，

其中，C_p表示低温冷媒制剂的比热容，ΔT为低温冷媒制剂流经磁刺激线圈前后的温升，Q_w为磁刺激线圈的发热量。

Images