CN111991699A - 一种以开关控制电路的电磁激励系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种以开关控制电路的电磁激励系统，并基于该电磁激励系统提供了一种以开关控制电路的电磁激励方法，系统包括电源、感性负载和电子开关K，所述电源、电子开关K和感性负载以串联方式依次连接形成一个回路；所述电源为整个电路供电；通过电子开关K用于实现感性负载中电流变化速率的控制，来忽略电路本身的充放电参数对电流变化率的影响，在本方案中，通过调节电子开关K断开的速率，来调节电子开关K断开时，感性负载的放电时间和放电速率，进而提供经颅磁刺激需要的磁场，克服了现有技术中调节放电时间和放电速率时，忽略电子开关K断开时间的影响的技术偏见。

Description

一种以开关控制电路的电磁激励系统及方法

技术领域

本发明涉及电磁激励领域，特别涉及一种以开关控制电路的电磁激励系统及方法。

背景技术

瞬变电磁场在医学领域的典型应用为一种称为经颅磁刺激 (TranscranialMagnetic Stimulation，缩写：TMS) 的技术。TMS 是一种无电极刺激形式，它是利用激励线圈产生时变磁场在目标组织中感应出电流，达到刺激可兴奋组织目的。当电流流经 TMS 激励线圈时，将在其周围产生时变磁场，这个强大且快速变化的磁场可以穿透人体皮肤及头骨等组织发生作用。能够刺激神经是由 D’Arsonval 在 1896 年观察到磁致闪光现象时首先发现的，在此后的很长时间内，磁刺激研究仅限于磁致闪光。Brickford等在1965年磁刺激完整的兔、青蛙和人时观察到骨骼肌抽动，但由于没有明确的应用目的，进一步的工作没有开展。1985年，Barker 等使用一个小巧磁线圈在低于 0.3Hz 的脉冲电流驱动下，几乎无痛、非侵入地刺激正常人脑皮质，观察到手肌抽动，用表面电极在小指外展肌记录到运动皮质诱发电位 (MEPs)，并在伦敦出席第 11 届脑电与临床神经生理大会上向世界各地代表做了展示，令人鼓舞的结果引起了极大的轰动，这种方法后称为经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)。 1987 年 Amassian 等、1990 年 Cohen 等分别用实验证明了不同方向放置的刺激线圈对大脑皮层的作用引起不同手指活动。

上述应用电磁场激励系统通常采用大电流脉冲进行驱动，以获得需要变化率足够大的瞬变电流，进而获得足够大电磁场强度的磁场，这样的激励系统驱动电流大、脉冲宽度大，激励系统硬件电路功耗大、实现困难，而且存在很大的安全隐患，特别是医学领域的应用安全性更是一个不可忽视的重要问题。

针对功耗大和安全性的问题，授权公告号为CN102614592B的发明专利提出了用小电流代替传统大电流的工作方式，此方法为了克服功耗和安全的问题并且达到电磁激励对电磁场强度的要求，主要采用调节负载参数进而降低电流变化时间进而提高电流变化率的方法，进而获得足够大电磁场强度的磁场，这里的负载参数指的是充电电路参数、放电电路参数和感性负载的电感参数，通过调节负载参数，对于这个小电流设计及其他电磁激励系统或方法的设计中，通常会忽略电子电子开关K速率。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种以开关控制电路的电磁激励系统，并基于该电磁激励系统提供了一种以开关控制电路的电磁激励方法，通过控制电子开关K断开的速率，进而控制感性负载在电子开关K断开时放电时间及电路中电流的变化率，使得感性负载的放电时间和感性负载在放电时的电流变化率足以达到经颅磁刺激的要求，克服了现有技术中小电流设计及其他电磁激励系统或方法的设计中通常会忽略电子电子开关K速率的技术偏见。

本发明采用的技术方案如下：

一种以开关控制电路的电磁激励系统，包括电源、感性负载和电子开关K，所述电源、电子开关K和感性负载以串联方式依次连接形成一个回路；所述电源为整个电路供电；

通过电子开关K用于实现感性负载中电流变化速率的控制，来忽略电路本身的充放电参数对电流变化率的影响。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述电子开关K有一端连接电源，有一端连接感性负载，并从感性负载后端接回电源负极形成一个回路，所述电子开关的控制极连接开关脉冲信号。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述电子开关的控制极上串联一个可调电阻，通过调节可调电阻的阻值，调节电子开关K的断开速率。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述系统中电子开关与感性负载形成直接对应控制关系，用感性负载在电路中的电子开关K断开时放电控制感性负载中电流变化速率。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述系统还包括尖峰吸收电路，所述尖峰吸收电路并联在电子开关K两端，用于抑制激励线圈放电时产生的尖峰脉冲对电路的影响。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述尖峰吸收电路主要包括二极管D1、电容C1和电阻R1，所述二极管D1的负极连接到电容C1的一端，所述二极管D1的正极连接到电子开关K靠近电源的一端，所述电容C1的另一端连接在电子开关K远离电源的一端，所述电阻R1和二极管D1并联。

一种以开关控制电路的电磁激励方法，基于上述任一电磁激励系统，通过电子开关K用于实现感性负载中电流变化速率的控制，来忽略电路本身的充放电参数对电流变化率的影响。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述电子开关K有一端连接电源，有一端连接感性负载，所述电子开关的控制极连接开关脉冲信号，在电子开关K的控制极上串联一个可调电阻，通过调节可调电阻的阻值和或开关脉冲信号，调节电子开关K的断开速率。

所述系统中去除充电电路与放电回路，调整电子开关K的断开的速率，保证电磁激励系统中的感性负载在电子开关K断开后的变化速率及变化时间满足电磁激励的要求，来忽略电路本身充放电参数对电流变化率的影响。

在一般的电磁激励系统或电磁激励方法中，我们知道放电速率和放电时间是由电流大小和电感大小决定的，并受到放电电路的影响，这是由于在放电时，电子开关K断开的速率一般为几纳秒到几十纳秒的时间，这个时间相比较于一般放电时间的几微妙的时间来说太短，所以一般忽略不计，故而在现有技术人员调整放电电路参数时，一般都不会调整电子开关K的断开速率，而在利用电磁激励进行经颅磁刺激的领域中亦是如此，现有技术中一般通过调整放电电路电阻、感性负载的电感等电路中电子元器件的参数来调整放电时间和放电速率，或者外接充电电路，除了进行电子开关K闭合时，能有充电电磁激励外，调节充电电容和充电电阻以在电子开关K断开时调节放电时间和放电速率也是一个常规手段，如授权公告号为CN102614592B的发明专利的实施例2中说明了电流的变化是由放电电路参数决定，与开关断开速率无关，该专利中的开关仅实现了电路中充放电模式的切换，并未对放电过程有影响，并且，在该发明专利的权利要求1中，明确表示出了该方案包括充电电路和放电电路，并且从该方案中可以得知，充电电路和放电电路在该方案中是必要条件。而在本方案中，却克服了技术偏见，通过调节电子开关K断开的速率，也可以调节电子开关K断开时感性负载的放电时间和放电速率，故而在本方案中，电路的初始电流由电源提供，而无须单独的蓄能电路，即无须充电电路，并且也不需要放电电路，因为放电电路会延长放电时间，且必须考虑放电电路参数，克服了现有技术中调节放电时间和放电速率时，忽略电子开关K断开时间的影响的技术偏见。

具体地说，本方案中，是通过位于线圈回路中的电子开关K，迅速断开流经感性负载上的电流，无视整个电路的充放电参数，从而提高感性负载上的电流变化率，进而产生满足经颅磁刺激的足够磁场强度的磁场。在加快电子开关K断开速率达到一定程度时，还需要微调电子开关K断开的速率（可能会略微降低电子开关K断开的速率）使得感性负载的速率不会太快而使得产生的经颅磁刺激的时间不足，这是由于经颅磁刺激需要持续一定时间的磁场，否则可能会达不到产生神经冲动所需要的时间阈值，神经尚未产生冲动，刺激磁场就已经结束，因此我们在调节电子开关K断开速率时，不能一味地加快电子开关K的断开速率，而是要调节电子开关K的断开速率使得其断开时，既使得感性负载在电子开关K开始断开时的电流降低变化率满足经颅磁刺激所需磁场的强度要求（需要适当加快电子开关K的断开速率），又使得感性负载在电子开关K开始断开时上电流变化时间满足经颅磁刺激所需磁场的持续时间要求（需要适当放缓电子开关K的断开速率）。在电子开关K使用开关三极管如IGBT、GTO、NPN三极管等时，根据调节出的电子开关K的断开速率和实际需求（对刺激时间的需求等），设置对应的脉冲信号发送到电子开关K的控制极（在使用IGBT时为栅极，使用GTO时为门极）。

在常规经颅磁刺激中，由于激励线圈需要承受强大的峰值电流冲击，受电路电流容量、充放电谐振参数以及散热等方面的限制，其激励线圈的电感值必然受限（电感值越大则流经激励线圈的电流峰值越小，回路的充放电时间越长），所以常规经颅磁刺激仪的电感值都非常小。而采用小电流作为电磁激励系统的方案中，由于仅仅关注于电子电子开关K的电子开关K速度而忽略电路感性负载的电感值影响，所以我们仅仅调节电子开关K的断开速率，这样使得流过激励线圈的电流相比于常规TMS设计来说，可以做到呈数量级的减小，但是电流的变化率，却可以满足TMS的要求。电流减小，就可以用更细的线来绕制激励线圈；忽略电感值影响，就可以绕制更多的匝数，绕制出具有更大电感值的激励线圈及线圈组。激励线圈的电感值越大，则单位流经该线圈的激励电流所产生的磁场就越大，电子开关K动作时，线圈引起的周围磁场变化就会越大。故小电流设计，同样可以产生与常规TMS设计相比拟的磁通量变化，并且小电流产生的热量极低，几乎不用考虑散热问题。

在本方案中，我们去除了充电电路与放电回路，即可忽略充放电电路存在而形成的充放电参数对电流变化率的影响，进而构建电子开关与感性负载的直接对应控制关系，仅用感性负载在电路中的电子开关K断开时放电，来形成电磁激励作为经颅磁刺激的变化磁场。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种以开关控制电路的电磁激励系统，并基于该电磁激励系统提供了一种以开关控制电路的电磁激励方法，通过电子开关K用于实现感性负载中电流变化速率的控制，来忽略电路的充放电参数对电流变化率的影响，使得感性负载的放电时间和感性负载在放电时的电流变化率足以达到经颅磁刺激的要求，克服了现有技术中小电流设计及其他电磁激励系统或方法的设计中通常会忽略电子电子开关K速率的技术偏见；

2.本发明所述的一种以开关控制电路的电磁激励系统，并基于该电磁激励系统提供了一种以开关控制电路的电磁激励方法，通过电子开关K用于实现感性负载中电流变化速率的控制，来忽略电路的充放电参数对电流变化率的影响，使得感性负载的放电时间和感性负载在放电时的电流变化率足以达到经颅磁刺激的要求，本系统可以使用小电流产生满足经颅磁刺激的磁场，避免了大电流的一系列问题。

附图说明

为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是本发明的实施例1的结构示意图；

图2是本发明的实施例1的电路示意图；

图3是授权公告号为CN102614592B的发明专利的结构示意图；

图4是授权公告号为CN102614592B的发明专利的电路结构示意图；

图5是授权公告号为CN102614592B的发明专利的电路结构示意图；

图6是本发明的实施例2的结构示意图；

图7是本发明的实施例2的电路示意图；

图8是本发明的实施例2的一组仿真结果图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图8对本发明作详细说明。

实施例1

一种以开关控制电路的电磁激励系统，如图1、图2，包括电源、感性负载和电子开关K，所述电源、电子开关K和感性负载依次串接，并从感性负载后端接回电源负极，形成一个回路；所述电源为整个电路提供稳定电流；

通过控制电子开关K断开的速率，来忽略电路的充放电参数，用于控制感性负载中电流变化速率。

工作原理：在一般的电磁激励系统或电磁激励方法中，我们知道放电速率和放电时间是由电流大小和电感大小决定的，并受到放电电路的影响，这是由于在放电时，电子开关K断开的速率一般为几纳秒到几十纳秒的时间，这个时间相比较于一般放电时间的几微妙的时间来说太短，所以一般忽略不计，故而在现有技术人员调整放电电路参数时，一般都不会调整电子开关K的断开速率，而在利用电磁激励进行经颅磁刺激的领域中亦是如此，现有技术中一般通过调整放电电路电阻、感性负载的电感等电路中电子元器件的参数来调整放电时间和放电速率，或者外接充电电路，除了进行电子开关K闭合时，能有充电电磁激励外，调节充电电容和充电电阻以在电子开关K断开时调节放电时间和放电速率也是一个常规手段，如授权公告号为CN102614592B的发明专利的实施例2中说明了电流的变化是由放电电路参数决定，与开关断开速率无关，该专利中的开关仅实现了电路中充放电模式的切换，并未对放电过程有影响，如图3-图5，是授权公告号为CN102614592B的发明专利的图1、图2和图4，我们对比图1和图3，可以看出，本方案不需要充电电路，也不设置放电电路，图3是必须要有充电电路和放电电路，这一点从具体电路图，图2和图4、图5的对比中也能看出，在授权公告号为CN102614592B的发明专利的电路图，即图4、图5中，不管形式如何变化，均需要充电电路来进行蓄能，需要放电电路来进行放电。而没有考虑电子开关K的断开时间与断开速率对电路的影响，更没有考虑通过调节电子开关K断开的速率，来调节感性负载的放电时间和放电速率，故而在本方案中，电路的初始电流由电源提供，而无须单独的充电电路，即无须蓄能电路，也不需要放电回路，放电回路会延长放电时间，且必须考虑放电回路参数，进而需要考虑充放电路参数对电流变化率的影响，本方案去除了充电电路与放电回路，即可忽略充放电电路存在而形成的充放电参数对电流变化率的影响，仅构建电子开关与感性负载的直接对应控制关系，即通过电子开关K用于实现感性负载中电流变化速率的控制，来忽略电路的充放电参数对电流变化率的影响，克服了现有技术中调节放电时间和放电速率时，忽略电子开关K断开时间的影响的技术偏见。

具体地说，本方案中，是通过位于线圈回路中的电子开关K，迅速断开流经感性负载上的电流，无视整个电路的充放电参数，从而提高感性负载上的电流变化率，进而产生满足经颅磁刺激的足够磁场强度的磁场。在加快电子开关K断开速率达到一定程度时，还需要微调电子开关K断开的速率（可能会略微降低电子开关K断开的速率）使得感性负载的速率不会太快而使得产生的经颅磁刺激的时间不足，这是由于经颅磁刺激需要持续一定时间的磁场，否则可能会达不到产生神经冲动所需要的时间阈值，神经尚未产生冲动，刺激磁场就已经结束，因此我们在调节电子开关K断开速率时，不能一味地加快电子开关K的断开速率，而是要调节电子开关K的断开速率使得其断开时，既使得感性负载在电子开关K开始断开时的电流降低变化率满足经颅磁刺激所需磁场的强度要求（需要适当加快电子开关K的断开速率），又使得感性负载在电子开关K开始断开时电流变化时间满足经颅磁刺激所需磁场的持续时间要求（需要适当放缓电子开关K的断开速率）。在电子开关K使用开关三极管如IGBT、GTO、NPN三极管等时，根据调节出的电子开关K的断开速率和实际需求（对刺激时间的需求等），设置对应的脉冲信号发送到电子开关K的控制极（在使用IGBT时为栅极，使用GTO时为门极）。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，如图6、图7，所述电子开关K有一端连接电源，有一端连接感性负载，所述电子开关的控制极连接开关脉冲信号。所述电子开关的控制极上串联一个可调电阻，通过调节可调电阻的阻值，调节电子开关K的断开速率。

在电子开关K使用开关三极管如IGBT、GTO、NPN三极管等时，根据调节出的电子开关K的断开速率和实际需求（对刺激时间的需求等），设置对应的脉冲信号发送到电子开关K的控制极（在使用IGBT时为栅极，使用GTO时为门极）。

所述系统还包括尖峰吸收电路，所述尖峰吸收电路并联在电子开关K两端，用于抑制激励线圈放电时产生的尖峰脉冲对电路的影响。所述尖峰吸收电路主要包括二极管D1、电容C1和电阻R1，所述二极管D1的负极连接到电容C1的一端，所述二极管D1的正极连接到电子开关K靠近电源的一端，所述电容C1的另一端连接在电子开关K远离电源的一端，所述电阻R1和二极管D1并联。

工作原理：本实施例的工作原理和实施例1相同，只是更具体化的使用开关三极管来作为电子开关K，开关三极管可以选用IGBT、GTO、NPN三极管等，开关三极管的控制极连接脉冲信号作为控制信号，根据实际需求设置不同频率的脉冲信号。

如图7，在开关三极管控制极上串联可调电阻R可以通过调节可调电阻R的阻值，进而在固定脉冲信号的基础上再次调节电子开关K的断开时间。

如图8，是本方案的一组脉冲信号和对应的感性负载L上的电流变化图，其中脉冲信号波是控制信号的脉冲电压变化波形，另外一个波形是感性负载L上的电流变化，我们仅关注感性负载L上的放电电流波，即电流变化波形中的下降沿，可以看出，下降沿的变化时间大约为2.5ms，变化幅度为700mA，可以得出下降沿的变化率为280A/S，该变化率满足经颅磁刺激的要求，并且变化时间是毫秒级，也满足经颅磁刺激的时间要求。

实施例3

一种以开关控制电路的电磁激励方法，基于上述实施例1或2任一项所述的电磁激励系统，调整电子开关K的断开的速率，保证电磁激励系统中的感性负载在电子开关K断开后的变化速率及变化时间满足电磁激励的要求。

所述电子开关K使用开关三极管，所述开关三极管的集电极连接电源，开关三极管的发射极连接感性负载，所述开关三极管的基极连接开关脉冲信号，在开关三极管的基极上串联一个可调电阻，通过调节可调电阻的阻值，调节电子开关K的断开速率。

工作原理：在常规经颅磁刺激中，由于激励线圈需要承受强大的峰值电流冲击，受电路电流容量、充放电谐振参数以及散热等方面的限制，其激励线圈的电感值必然受限（电感值越大则流经激励线圈的电流峰值越小，回路的充放电时间越长），所以常规经颅磁刺激仪的电感值都非常小。

而在本实施例中，由于采用小电流作为电磁激励系统的方案中，并且仅仅关注于电子电子开关K的电子开关K速度而忽略电路感性负载的电感值影响，所以我们仅仅调节电子开关K的断开速率，这样使得流过激励线圈的电流相比于常规TMS设计来说，可以做到呈数量级的减小，但是电流的变化率，却可以满足TMS的要求。电流减小，就可以用更细的线来绕制激励线圈；忽略电感值影响，就可以绕制更多的匝数，绕制出具有更大电感值的激励线圈及线圈组。激励线圈的电感值越大，则单位流经该线圈的激励电流所产生的磁场就越大，电子开关K动作时，线圈引起的周围磁场变化就会越大。故小电流设计，同样可以产生可以与常规TMS设计相比拟的磁通量变化，并且小电流产生的热量极低，几乎不用考虑散热问题。

在本方案中，我们去除了充电电路与放电回路，仅用感性负载在电路中的电子开关K断开时放电，来形成电磁激励作为经颅磁刺激的变化磁场。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种以开关控制电路的电磁激励系统，包括电源、感性负载和电子开关K，其特征在于：所述电源、电子开关K和感性负载以串联方式依次连接形成一个回路；所述电源为整个电路供电；

通过电子开关K用于实现感性负载中电流变化速率的控制，来忽略电路本身的充放电参数对电流变化率的影响。

2.根据权利要求1所述的一种以开关控制电路的电磁激励系统，其特征在于：所述电子开关K有一端连接电源，有一端连接感性负载，并从感性负载后端接回电源负极，形成一个回路，所述电子开关的控制极连接开关脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的一种以开关控制电路的电磁激励系统，其特征在于：所述电子开关的控制极上串联一个可调电阻，通过调节可调电阻的阻值，调节电子开关K的断开速率。

4.根据权利要求1所述的一种以开关控制电路的电磁激励系统，其特征在于：所述系统还包括尖峰吸收电路，所述尖峰吸收电路并联在电子开关K两端，用于抑制激励线圈放电时产生的尖峰脉冲对电路的影响。

5.根据权利要求4所述的一种以开关控制电路的电磁激励系统，其特征在于：所述尖峰吸收电路主要包括二极管D1、电容C1和电阻R1，所述二极管D1的负极连接到电容C1的一端，所述二极管D1的正极连接到电子开关K靠近电源的一端，所述电容C1的另一端连接在电子开关K远离电源的一端，所述电阻R1和二极管D1并联。

6.一种以开关控制电路的电磁激励方法，基于权利要求1-5中任一项所述的电磁激励系统，其特征在于：通过电子开关K用于实现感性负载中电流变化速率的控制，来忽略电路本身的充放电参数对电流变化率的影响。

7.根据权利要求6所述的一种以开关控制电路的电磁激励方法，其特征在于：所述电子开关K有一端连接电源，有一端连接感性负载，所述电子开关的控制极连接开关脉冲信号，在电子开关K的控制极上串联一个可调电阻，通过调节可调电阻的阻值和或开关脉冲信号，调节电子开关K的断开速率。

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